بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک الگوریتم طراحی و بهینهسازی چند مرحلهای ارائه شده است که از ابزارهای رایج صنعتی که طراحان از آن بهره میبرند در بستری نیمه اتوماتیک استفاده میکند. از آنجا که همکنون بیشتر بار طراحی توسط خود طراح و به صورت دستی انجام میشود وجود یک الگوریتم بهینه سازی اتوماتیک می تواند اثرات منفی پارامترهای انسانی را کاهش داده با جستجوی سیستماتیک در فضای هندسی موجود مدلهای مختلف هندسی را بررسی کرده به سرعت به مدلهای بهینه نزدیک شود.
بیشتر سعی و خطای بهینهسازی در فاز غیر دقیق و در حلقه بهینهسازی اتوماتیکی روی میدهد که جریان سیال توسط روشهای ساده شده فیزیک جریان به سرعت تحلیل میشود. کد جداسازی ویژه ای مسوول فیلتر کردن طرحهای منتخب فاز غیر دقیق میباشد. این طرح ها در فاز دقیق مورد بررسی دقیق قرار میگیرند تا طرح برتر انتخاب شده یا حلقه بهینهسازی با مدل اولیه جدید تکرار شود. اگرچه این الگوریتم بر اساس بهینهسازی رانر توربینهای آبی طراحی شده است اما قابل استفاده در مسائل طراحی سایر اجزاء توربوماشینها میباشد.
-1 مقدمه
بخش زیادی از طراحی و بهینه سازی اجزا توربوماشینها مدیون ابزارهای حل عددی میباشد. با این حال این پروسه با وجود پیشرفت الگوریتمهای حل عددی و قدرتمند شدن سختافزارهای محاسباتی همچنان به شدت وابسته طراحان و مهارتهای شخصیشان است. توربینهای آبی از بالاترین راندمان در بین توربوماشینها برخوردارند. برای مثال توربین فرنسیس که در سال 1848 توسط جیمز فرانسیس3 طراحی شد راندمانی بیش از %85 داشت .[1] با گذشت بیش از 160 سال از طراحی این توربین، طراحان رانر4 با اتکا به ابزارهای قدرتمند حل عددی سعی در ارائه رانرهایی دارند که در بازه عملکردی وسیعتری راندمان کاری بالایی داشته و با دوری از پدیدههای مخربی نظیر کویتاسیون عمر بیشتری داشته باشند.
شکل شماره 1 فرایند طراحی رانر در شرکتهای پیشرو را نشان میدهد. برخلاف انتظار بخش زیادی از این فرآیند غیر اتوماتیک بوده و دستیابی به موفقیت در گروی استفاده مناسب طراح از ابزارها و تکنیکهای مختلف و میزان تجربه قبلی وی دارد. در این پروسه طراح در ابتدا از یک مدل اولیه مناسب شروع کرده با انتخاب تعداد اندکی متغییر هندسی سعی در دستیابی به مشخصات ابتدایی یک طراحی خوب دارد.
در شرکتهای پیشرو این پروسه در یک حلقه بهینهسازی نیمه اتوماتیک و با بکارگیری یک روش حل عددی سیال غیر دقیق انجام میشود. در این حلقه تعداد زیادی از طرحهای جدید که محصول تغییر متغیرهای محدود هندسی توسط الگوریتم بهینهسازی میباشد به کمک ابزارهای دینامیک سیالات محاسباتی غیر دقیق و ارزان تحلیل شده، طرحهای اولیه مناسب در مدت زمان نسبتا کوتاهی بدست میآیند.
در ادامه فرآیند، طراح جزییات طراحی را به شدت افزایش داده با تغییر دستی تعداد زیادی متغییر هندسی - اغلب در حد چند صد برابر - سعی در بدست آوردن باقی مشخصات طراحی در حیطه عملکردی خواسته شده میکند. در این بخش طراح از ابزارهای دقیقتر و هزینهبرتر حل عددی استفاده میکند تا قادر باشد بیشترین جزئیات رفتار سیال و عملکرد توربین را رصد و پیشبینی کند. برای بهینهسازی فرآیند طراحی استفاده از این ابزارها طبیعتا بسیار محدودتر میباشد. در نهایت پس از دستیابی به چند طرح منتخب و در نظر گرفتن باقی الزامات طراحی، نمونه های اولیه ساخته شده و در ازمایشگاه تست میشوند.
با افزایش رقابت در طراحی توربینهای آبی، طراحان نیازمند بکارگیری روشهای نوین بهینهسازی میباشند تا با جستجوی سیستماتیک طرحهای ممکن، در زمانی کوتاهتر به طرحهای امیدبخش بیشتری دست یابند. طرحهایی که شاید به دلیل تجربیات قبلی طراحان از دید ایشان مغفول میمانند. همچنین کاهش مدت زمان طراحی رانر یا دیگر اجزا سبب میشود زمان بیشتری در اختیار دیگر بخشها قرار گیرد تا اجزا دیگر که در ارتباط عملکری تنگاتنگی با یکدیگر هستند به بهترین نحو طراحی شوند.
در این مقاله روش نوینی برای بهینه سازی رانرهای توربینهای آبی ارائه شده است که در طراحی دیگر اجزا توربوماشینها نیز قابل استفاده میباشد. جهت ارائه روشی کاملا کاربردی و صنعتی، این پروژه در همکاری نزدیک با طراحان شرکت اندریتز5 انجام شده است. در بخش دوم این مقاله سایر اجزا الگوریتم طراحی و بهینهسازی چند مرحلهای ارائه شده است. در بخش سوم این الگوریتم در طراحی و بهینهسازی دو پروژه طراحی شرکت اندریتز بکار گرفته شده است و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 الگوریتم طراحی و بهینهسازی چند مرحلهای
شکل شماره 2 الگوریتم چند مرحله ای ارائه شده را نشان میدهد. در این روش سعی شده است از همان ابزارهای مورد استفاده طراحان در بستری سیستماتیک که نحوه ارتباط هر جزء با دیگر اجزاء به خوبی مشخص شده است بهره گرفته شود. همانند گذشته فرآیند طراحی و بهینه سازی با یک مدل اولیه که از لحاظ هندسی به نسبت پیچیدگی زیادی ندارد آغاز میشود.
فاز غیر دقیق که حاوی حلقه بهینهسازی میباشد از این مدل استفاده کرده با مدیریت یک الگوریتم بهینه سازی به صورت اتوماتیک بهترین حالات هندسی ممکن را جهت دستیابی به اهداف تعیین شده بررسی میکند. پس از اتمام این فاز بخش جداسازی - فیلتر کردن - تعداد اندکی از بهترین طرحها را با توجه به بودجه محاسباتی اختصاص یافته انتخاب کرده برای شبیهسازی دقیق به فاز دقیق ارسال میکند. پس از بررسی دقیق عملکرد طرحهای منتخب در این فاز بهترین طرح که بهترین عملکرد را دارد انتخاب میشود. چنانچه طرح مذکور ملاکهای از پیش تعیین شده طراحی را دارا بود به عنوان طرح نهایی انتخاب میشود در غیر این صورت به عنوان مدل اولیه جدید برای تکرار حلقه بهینهسازی به فاز غیر دقیق ارسال میگردد.
این روش آن دسته از پروژههایی را مورد توجه قرار میدهد که در فاز غیر دقیق تحلیل اهداف6 و قیدهای 7 اصلی طراحی نظیر افزایش راندمان رانر یا کاهش افت فشارها به دلیل استفاده از ابزارهای حل غیر دقیق و فرضیات گوناگون نظیر جریان غیر لزج امکان پذیر نیست یا با خطای بسیار همراه است. لذا مساله بهینهسازی تعریف شده با مساله واقعی تفاوت دارد و نیاز است هر بار با توجه به نتایج فاز دقیق اصلاح شود.
-1-2 فاز غیر دقیق
بیشترین بار محاسباتی از لحاظ تعداد مدل های تحلیل شده بر دوش فاز غیر دقیق میباشد. این فاز شامل 3 جزء اصلی نرمافزار مدلسازی هندسی، نرمافزار شبیهسازی و حل عددی جریان سیال، و کد بهینهسازی است. در این فاز کد بهینه سازی جایگزین طراح میشود تا در یک جستجوی سیستماتیک در تمای ابعاد فضای طراحی تمام حالت های ممکن را بررسی نموده و اثرات منفی تجربیات گذشته طراح و خطاهای انسانی را به حداقل رساند. تجربیات ارزنده طراح در قالب تعیین مساله بهینهسازی با تعریف اهداف و قیدهای مناسب در این فاز مورد استفاده قرار میگیرد.
اهداف مذکور باید به گونهای باشند که اهداف نهایی طراحی نظیر به دست آوردن راندمان کاری بالا در رنج عملکردی داده شده را در فاز دقیق حاصل کنند. همچنین قیدهای فاز غیر دقیق میتوانند سبب مرتفع شدن قیدهای اصلی طراحی که تنها در فاز دقیق قابل بررسی میباشند شوند. برای مثال با کنترل حداقل فشار سیال در نقاطی از پره که مستعد کویتاسیون میباشند میتوان از وقوع این پدیده مخرب در فاز دقیق جلوگیری کرد. در کنار قیدهای عملکردی قیدهای هندسی نیز وجود دارند که بر روی متغیرهای هندسی مدل اعمال میشوند.
-2-2 فیلتر کردن نتایج
در پایان فاز غیر دقیق هزاران مدل جدید هندسی تحلیل عملکردی شده بر اساس اهداف و قیدهای بهینهسازی و طراحی سنجیده میشوند. اما به دلیل تفاوت اهداف و قیدهای مذکور با اهداف و قیدهای اصلی که در فاز دقیق قابل اندازهگیری و بررسی میباشند بهترین طرحها و مدلهای هندسی فاز غیر دقیق لزوما بهترین مدلها در فاز دقیق نخواهند بود.
