根叶栅稠密度与叶尖叶栅稠密度的比值，例如： 叶尖叶栅稠密度是〇. 82,叶根叶栅稠密度倍数是1. 4,则叶根叶栅稠密度=叶尖叶栅稠密 度0. 82*叶根叶栅稠密度倍数1. 4 = 1. 148。中间各断面叶栅稠密度从叶尖到叶根按线性 变化。翼型安放角即各断面翼型所在的弦长与水平线之间的夹角。
[0051] 11个翼型断面就有22个设计参数，在优化时会大大降低叶片优化的效率，而通过 拟合发现，轴流栗各断面叶栅稠密度成线性关系，因此只需要通过改变叶尖叶栅稠密度和 叶根叶栅稠密度倍数即可以改变11个断面叶栅稠密度值；而11个断面翼型安放角成二次 方关系。即：β 只需要改变二次方关系的三个系数即可改变11个断面 的翼型安放角值。轮毂比和叶片数根据相关参考文献推荐值选取。在进行优化设计时，只 需改变以上5个变量的值即可改变轴流栗叶片的扭曲形状，进而改变轴流栗装置的水力性 能，提高优化的效率，缩短设计的周期。通过fortran编写的程序即能实现改变这5个变量 的值进而改变轴流栗叶片的形状。
[0052] 2)全工况优化设计
[0053] 本发明专利设计轴流栗叶轮的基本思路：先对轴流栗叶轮根据设计工况按照理想 流动状况、真实液体进行数值计算，综合分析栗内各项损失，以总损失最小初步设计出设计 工况下水力性能最优的一付轴流栗叶轮，确定该叶轮的几何形状和各设计参数。再针对该 叶轮进行导叶、导水锥以及进出水流道的设计，同时对该叶轮进行参数化建模，以能够通过 改变设计参数方便的改变轴流栗叶轮的几何形状。最后通过iSIGHT数值优化平台集成CFX 数值优化软件，将各通流部件整合成栗装置，以栗装置全工况的加权平均效率最优为目标， 扬程为约束条件，不断改变轴流栗叶轮设计参数，对栗装置进行迭代计算，通过迭代，最终 找到使栗装置综合效率最高的轴流栗叶轮的设计方案。
[0054] 优化设计工况确定：
[0055] 全工况优化设计在工况选择时，主要选取三个流量工况点，分别选择设计流量工 况点、小流量工况点和大流量工况点。如：设计流量工况点为Q。，则小流量工况点Q+ = 0. 8*Q。，大流量工况点Q大=I. 2*Q。。
[0056] 优化设计的目标：
[0057] 多目标优化设计时，主要考虑全工况优化设计时各流量工况点的效率要比较高， 以拓宽性能曲线的高效区范围。各工况点效率在优化时采用归一化处理，即maxn (X)= W1 n i (X)+w2n2(x)+w3n3(x)，其中η ρ η2和η 3分别是小流量工况、设计工况和大流量工况 的效率。Wl、￥2和w 3分别为对应的权重值。权重值根据栗站各流量工况点实际运行时间确 定。
[0058] 优化设计的约束条件：
[0059] 约束条件主要为各工况点的扬程，以及设计点的汽蚀性能要求。为了保证轴流栗 叶轮在优化前后都能满足同一座栗站的运行要求，其名义比转速保持一致，设计工况点扬 程变化范围应尽可能小，变化范围建议取值〇~〇. 2m，其他设计工况点扬程变化范围建议 取值0~lm。视栗站具体情况而定。
[0060] 由于汽蚀性能在非设计工况时，数值模拟计算误差较大，因此在全工况优化设计 时，可单考虑设计工况的必需汽蚀余量要求，必需汽蚀余量越小越好。不同叶轮必需汽蚀余 量值变化较大，为保证叶轮具有较好的汽蚀性能，可视具体叶轮确定必需汽蚀余量的约束 值。
[0061] 优化算法的选择：
[0062] 轴流栗全工况多目标优化设计是有约束的、非线性、多目标并且解不唯一的优化 设计问题，选用梯度优化算法的序列二次规划法（Sequential Quadratic Programming， SQP)。该方法能够直接处理等式和不等式约束，是目前公认的优秀的非线性问题求解算法 之一。具有很好的全局收敛和局部超线性收敛特性，迭代次数少，收敛速度快，具有很强的 边界收索能力，对于本文设计变量少，约束条件不多的优化设计问题尤其适用。
[0063] 学科分析：
[0064] 学科分析采用CFD数值计算方法，传统优化方法是依次进行的，只针对设计工况 下轴流栗叶轮（单栗）的水力性能进行优化设计，然后根据优化的叶轮进行导叶以及流道 的设计，忽略了叶轮、导叶等通流部件之间的相互影响。本发明专利的又一大创新点在于， 优化时采用CFD数值计算，计算多个流量工况点栗装置（包括叶轮、导叶、导水锥以及进、出 水流道）的水力性能，充分考虑到轴流栗装置各通流部件以及各种水力损失之间的相互影 响。
[0065] 技术原理：
[0066] 轴流栗装置在设计工况下各个通流部件中液体的流动可认为是最佳的流动状态， 近似于理想流动。但在实际运行工况偏离设计工况时，由于水的粘滞性等因素的影响，在轴 流栗内部及各通流部件中将会产生漩涡、回流、失速和脱流等不良流态，这些不良流态将会 随着偏离设计工况的程度而逐渐加剧。因此，在设计轴流栗时，不能只着眼于设计工况的水 力性能要求，要考虑并重视非设计工况点的水力性能要求。本发明专利运用反问题设计法， 考虑多个工况点多个优化目标对轴流栗进行优化设计。在优化设计时，对栗装置的水力性 能进行整体计算，根据栗装置计算结果来确定轴流栗叶轮的设计方案。在计算时，通过CFX 流动仿真软件进行数值模拟，计算精度高。改变轴流栗叶轮设计参数，改善或延迟轴流栗装 置内部的不良流态，以达到提高各流量工况点效率的目的。
[0067] 3、有益效果
[0068] 采用CFD数值计算，设计精度高，优化结果可靠。通过计算栗装置水力性能确定轴 流栗叶轮的最终设计方案，充分考虑栗装置各通流部件以及各种水力损失的相互影响，提 高了栗装置各工况点的效率，获得的高效区更宽的栗装置效率曲线，得到了更加合适的水 栗性能曲线。
[0069] 实施例1
[0070] 运用本发明专利优化设计方法，针对某一名义比转速为800的轴流栗叶轮进行 全工况多目标优化设计。设计参数：设计流量Q = 360L/s，设计扬程H = 6. 0m，转速η = 1450r/min，叶顶单边间隙为0. 2mm。后置导叶体为针对该叶轮的设计工况而针对设计的， 导叶体的扩散角为6°，导叶叶片数7片，叶轮叶片数4片，轴流栗叶轮轮毂比为0. 4333。 进水直管段和出水弯管段采用Proe建模，叶轮和导叶体根据其三维坐标数据点，采用 Turbo-Grid建模。轴流栗装置计算模型如图2所示。
[0071] 1.数值模拟
[0072] 网格划分：进水直管段和出水弯管段采用ICEM软件进行结构化网格划分，网格质 量在0. 4以上；轴流栗叶轮和导叶体在Turbo-Grid中进行结构网格划分，网格质量较好，能 够满足计算要求。轴流栗叶轮网格数为330928,导叶体网格数为365274,整个计算域网格 数为1215277。在计算迭代时，叶轮网格数保持相当，其他部件网格数保持不变。
[0073] 边界条件设置：栗装置计算域进口为进水管的进口，进口边界条件设置为总压条 件，即进口处总压设置为一个标准大气压。栗装置计算域出口为出水弯管段出口，出口边界 设置为质量流量出口，叶轮设为旋转域，其余计算域均为静止域。动静交界面采用速度平均 的stage模型，静静交界面采用None交界面模型。
[0074] 2.轴流栗叶轮参数化建模
[0075] 本发明专利在参数化建模时选择改变轴流栗叶轮11个翼型断面叶栅稠密度和翼 型安放角值共22个设计参数，可以很方便的改变轴流栗叶片形状。
[0076] 叶栅稠密度：通过改变叶尖叶栅稠密度值（?)和叶根叶栅稠密度倍数（a2)，可以 很方便的改变11个断面叶栅稠密度值。程序如下：
[0077] B1 ；
[0078] a2；
[0079] dd = 0. 4333
[0080] m = (a2_l) =^a1/(1/dd-l)
[0081] η = afm
[0082] do i = I, k
[0083] I/1 (i) = n+m/r (i)
[0084] end do
[0085] 其中，B1为叶尖叶栅稠密度值；a2为叶根叶栅稠密度倍数；dd为轮毂比；n，m为 中间计算量；k为翼型断面数，本例中共11个断面；r(i)为第i个断面的相对半径值，即 各断面半径与叶轮半径的比值，本实例中从轮缘到轮毂分别为：1.000000 ;〇. 9370334 ; 0.8740667 ；0.8111000 ；0.7481333 ；0.6851667 ；0.6222000 ；0.5592333 ；0.4962667 ； 0. 4333000 ;0. 36667 ;l/t(i)为第i个断面的叶栅稠密度值。
[0086] 本实例轮毂比为固定值，因此只需给出叶尖叶栅稠密度值及叶根叶栅稠密度即可 得到每个断面的叶栅稠密度值，从而方便的控制轴流栗叶片几何形状。
[0087] 翼型安放角：本实例根据初始设计叶轮11个断面的翼型安放角值，通过用二次多 项式对这十个翼型安放角进行拟合，拟合得到翼型安放角与相对半径值之间的关系：
[0088] β η= 90. 504-129. 96. 4r+57. 26r 2
[0089] 定义此二