本书介绍了设计优化的方法及其在流体机械设计，如泵、压缩机、涡轮机、风机等装置中的应用。尽管在复杂流道中的流动分析相较于结构分析难度较大，在流动分析中将消耗大量的计算时间，但随着计算机运算能力的不断提高，基于三维流动分析的设计优化方法近几年在流体机械领域越来越受青睐。随着以计算流体力学（CFD）为基础作为附加设计程序的设计优化方法的广泛运用，流体机械设计有了进一步的改进和发展。读者既可以通过学习计算流体力学知识加深对流体机械内部流动理论的理解，又可以结合各优化实例加强对各种流体机械装备优化设计的直观认识。

目 录





1 引 言 0 0 1
1.1 概述 001
1.2 流体机械：分类与特性002
1.3 流体机械的分析003
1.4 流体机械的设计 006
1.4.1 设计要求 006
1.4.2 平均流线参数的确定 006
1.4.3 平均流线分析006
1.4.4 三维叶片设计006
1.4.5 准三维流动分析 007
1.4.6 全三维流动分析 007
1.4.7 优化设计 007
1.5 透平机械设计优化 007 参考文献008

2 流体力学和计算流体力学010
2.1 流体力学基础010
2.1.1 介绍 010
2.1.2 流体流动的分类 010
2.1.3 一维、二维、三维流动013
2.1.4 表面流流动 013
2.1.5 边界层 014
2.2 计算流体力学(CFD)014
2.2.1 CFD及其在透平机械中的应用 015
2.2.2 CFD分析的基本步骤 017
2.2.3 控制方程 017
2.2.4 湍流模型 019
2.2.5 边界条件 024
2.2.6 移动参考系(MRF)025
2.2.7 验证和确认 026

流体机械的优化设计(O

2.2.8 商业 CFD 软件 026
2.2.9 开源代码 027 参考文献 028

3 优化方法 030
3.1 介 绍 0 3 0
3.1.1 工程优化的定义 031
3.1.2 设计空间 031
3.1.3 设计变量和目标 032
3.1.4 优化过程 034
3.1.5 搜索算法035
3.2 多目标优化(MO0) 035
3.2.1 加权求和方法036
3.2.2 Pareto 很优前沿036
3.3 约束、无约束和离散优化037
3.3.1 约束优化 037
3.3.2 无约束优化 037
3.3.3 离散优化038
3.4 代理建模038
3.4.1 概述 038
3.4.2 优化程序 038
3.4.3 代理建模方法038
3.5 误差估计042
3.5.1 模拟和优化透平机械系统时的一般误差 042
3.5.2 代理建模中的误差估计045
3.5.3 灵敏度分析046
3.6 抽样技术048
3.6.1 抽样 048
3.6.2 样本大小 048
3.6.3 设计空间 048
3.6.4 维数灾难 048
3.6.5 试验设计(DOE) 049
3.6.6 全因子设计 049
3.6.7 拉丁超立方体抽样(LHS) 049
3.7 优化求解器050
3.8 多学科设计优化050

◎目录

3.8.1 什么是多学科设计优化? 050
3.8.2 梯度法051
3.8.3 非梯度法051
3.8.4 近期 MDO 方法 051
3.9 反 设 计 0 5 1
3.9.1 反设计与直接设计 051
3.9.2 CFD直接优化设计 051
3.9.3 CFD反优化设计052
3.10 自动优化053
3.10.1 伴随 CFD 的耦合方法 053
3.10.2 案例研究 054
3.11 结 论 0 5 8 参考文献 058

工业流体机械的优化 062
4.1 泵 0 6 2
4.1.1 离心泵、混流泵和轴流泵 062
4.1.2 泵优化的参数化形状模型和流动求解器064
4.2 压缩机和涡轮机086
4.2.1 轴流、径向、多级压缩机 086
4.2.2 轴流式压缩机参数化优化模型和流动求解器086
4.2.3 离心式压缩机的优化 103
4.2.4 涡轮机110
4.3 风机 126
4.3.1 离心风机、轴流风机、混流风机和横流风机 126
4.3.2 风机压力、效率和规律 130
4.3.3 风机气动分析 131
4.3.4 针对风机优化的优化问题和算法 150
4.4 水轮机 168
4.4.1 引言 168
4.4.2 水轮机的空化现象 171
4.4.3 水轮机分析 175
4.4.4 水轮机优化 188
4.5 其他机械 199
4.5.1 蓄热式鼓风机199
4.5.2 其他机械205

流体机械的优化设计(0

参考文献210

5 可再生能源系统流体机械的优化233
5.1 风 能 2 3 3
5.1.1 水平轴风力涡轮机的优化 235
5.1.2 叶素理论法235
5.1.3 涡轮机参数化237
5.1.4 转子优化策略 240
5.2 海 洋 能 2 4 0
5.2.1 温度梯度 241
5.2.2 潮汐与潮汐流 241
5.2.3 盐度梯度 241
5.2.4 波浪 241
5.3 从海浪中获取能量 241
5.4 振荡水柱(OWC)243
5.4.1 固定结构 OWC 243
5.4.2 漂浮结构 OWC 243
5.5 涡轮机的分类243
5.5.1 Wells 涡轮机244
5.5.2 冲击式涡轮机245
5.6 空气涡轮机的优化246 参考文献250

符号说明 254