[发明专利]一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法

摘要

本发明公开了一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法，包括：确定设计变量，采样获取初始设计方案；热力设计；气动分析；设置初始退火温度T和设计方案；Gauss过程回归模型学习；生成新的设计方案，并按照步骤2进行热力设计；Gauss过程回归模型预测；检验准则1；按照步骤3气动分析获得等熵效率；检验准则2，得出最优设计方案。本发明提供的基于机器学习中的Gauss过程回归方法，并结合模拟退火方法建立的一种快速的自适应设计‑优化方法，可以解决传统的超临界二氧化碳透平设计及优化方法精准度差、设计周期长的难题，具有稳定且快速的寻优效果，同时对不同的工程问题具有广泛的适用性。

主权项

1.一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第1步，确定超临界二氧化碳透平的待设计变量包括：反动度ρ、特性比轮径比μ、喷嘴出口角α₁和叶轮出口角β₂；确定待设计变量的取值范围，然后对所有设计变量在经验设计空间中采用Latin Hyper Cubic方式进行采样，获得初始设计方案m个，即x_i，其中i＝1,…m；第2步，对m个超临界二氧化碳透平初始设计方案x分别进行热力设计计算Fa(x)，最终获得热力设计的关键参数及等熵效率；[D0,lN,D1,D2,ηa]＝fa(x)式中，D0——叶轮直径；lN——叶轮入口叶高；D1——叶轮出口内径；D2——叶轮出口外径；ηa——热力设计等熵效率；第3步，利用第2步得出的关键参数[D0,lN,D1,D2]进行数值建模，然后对m个超临界二氧化碳透平初始设计方案x分别进行气动分析Fr(x)，获得透平气动分析等熵效率ηr：ηr＝Fr(x)第4步，进入模拟退火循环，设置初始模拟退火温度T＝100，接受的设计方案xold为m个初始设计方案中气动分析等熵效率ηr最高的方案；第5步，结合所有的设计方案的热力设计结果以及气动分析结果，以气动分析结果和热力设计结果的等熵效率残差为拟合变量，建立当前的Gauss过程回归模型，Gauss过程回归模型的输入变量为超临界二氧化碳透平的设计变量x，输出变量为等熵效率残差Δη(x)以及残差的估计误差σ(x)：[Δη(x),σ(x)]＝G(x)其中，气动分析以及热力设计的等熵效率残差为：Δη＝ηr‑ηa第6步，根据xold在经验设计空间中按均匀分布随机生成新的设计方案xnew，按照第2步进行热力设计获得热力设计等熵效率ηa(xnew)；第7步，利用第5步中建立的Gauss过程回归模型预测该设计方案xnew的等熵效率残差及估计误差σ(x)；Δη(xnew)＝G(xnew)预测该设计方案的气动分析的等熵效率：第8步，计算该设计方案的等熵效率的上限估计和下限估计式中κ为置信因子，如下：在0‑1区间按均匀分布生成随机数ξ，并按照如下Metropolis检验准则1，判断设计方案是否接受、拒绝或是否进行气动分析；如果接受x_new设计方案，令x_old＝x_new，并返回第6步；如果拒绝x_new设计方案，x_old及η_r(x_old)保持不变，并返回第6步；如果则进入第9步；第9步，按照第3步对xnew进行气动分析，计算等熵效率ηr(xnew)，然后进入第10步；第10步，在0‑1区间按均匀分布生成随机数ξ，按照如下Metropolis检验准则2，判断设计方案是否接受、拒绝；如果ηr(xnew)≥ηr(xold)+kT·ln(ξ)，接受xnew设计方案，令xold＝xnew，ηr(xold)＝ηr(xnew)；如果ηr(xnew)≤ηr(xold)+kT·ln(ξ)，拒绝xnew设计方案，令xold及ηr(xold)保持不变；按下式更新退火温度T，其中α为退火温度衰减率；T＝αT如果当前温度T低于0.001，终止迭代，最后接受的设计方案即为最优设计方案；否则，返回第5步。