一种基于TEMOF-NSGA-II算法优化的疏水阀的制作方法

本发明涉及疏水阀，尤其涉及一种基于temof-nsga-ii算法优化的疏水阀。

背景技术：

1、传统圆盘式疏水阀作为蒸汽系统的关键部件，其性能优劣直接关系到工业生产的能耗、设备可靠性及运行成本。然而，现有技术长期面临一个难以调和的矛盾：一方面，追求高疏水效能和可靠性往往依赖于结构复杂的动态调节阀，其高昂的成本、复杂的控制系统及固有的机械故障风险制约了其广泛应用；另一方面，结构简单、坚固耐用的静态疏水阀虽然后期维护省心，但其性能在设计定型后便已固定，无法适应蒸汽系统宽泛且波动的工况，导致在非设计点时效率骤降，普遍存在振动噪音大、阀口汽蚀磨损快、高温冷凝水显热浪费严重等系统性痼疾。这些问题的根源在于传统设计方法严重依赖工程师的经验与有限的试错，无法在多个相互冲突的性能目标之间找到全局最优解，最终产品往往是妥协的产物，其综合性能存在显著不足。

2、现有授权公告号为cn222864670u的实用新型专利申请，公开了一种带旁通的文丘里疏水阀，包括具有中空内腔的阀体，中空腔体内设置有滑板式阀芯，滑板式阀芯包括移动盘底座、移动盘、固定盘以及压盖，移动盘底座、移动盘、固定盘以及压盖由内向外依次安装于阀体上，移动盘上开设有多个第一流道孔；固定盘上开设有多个第二流道孔；当疏水阀关闭时，第一流道孔与第二流道孔处于错位闭合状态，当疏水阀打开时，第一流道孔与第二流道孔处于对正连通状态；其中一个第一流通孔与第二流道孔对正连通形成疏水通道，疏水通道内螺纹连接有文丘里喷嘴。

3、例如上述技术方案，其通过结构上的改进提升疏水阀的综合性能，但疏水阀结构改进时，需要进行反复验证并修正。传统疏水阀及其改进技术的主要问题源于其设计方法的局限性。现有技术在确定阀门结构参数时，高度依赖工程师的个人经验、近似公式和反复试错的流程。设计师首先根据经验预设一个结构方案，然后制造实物样品进行测试，根据测试结果手动调整参数，再投入新一轮的试制与验证。这种方法不仅周期长、成本高，而且最终的设计方案通常只是在特定工况下表现尚可的折中解，无法确保在复杂的实际工作条件下始终保持优异性能。

4、这种陈旧的设计理念直接导致了产品在实际使用中表现出一系列明显的缺陷。在可靠性方面，阀门常常产生较大的振动和噪音，内部的阀芯和阀座等关键部件容易因冲蚀和磨损而过早失效，导致密封不严和蒸汽泄漏，缩短了整体使用寿命。在能效方面，排放的高温冷凝水中所含的大量热能通常未被有效利用而直接浪费，即使加装了简单的热回收装置，也往往因为与疏水阀的动态排水特性不匹配而回收效率低下，甚至可能因增加背压而干扰阀门的正常排水功能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种采用“确定性前优化”范式，改变了传统的“经验-试错”设计方法的基于temof-nsga-ii算法优化的疏水阀，从而从源头上确保了疏水阀在制造前，其结构就已内在具备了应对复杂工况的最优性能潜力，而非像现有产品那样只能在特定工况点附近表现良好，以此解决现有疏水阀设计问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本发明提供了一种基于temof-nsga-ii算法优化的疏水阀，包括疏水阀本体，以及固定连接于疏水阀本体出口端的增效模块；

4、增效模块为静态集成结构，增效模块包括依次串联的文丘里管段、旋流稳流腔段和套管式热能回收段；

5、文丘里管段的喉部面积a、旋流稳流腔段内导流叶片的安装角以及套管式热能回收段的传热系数u的数值，基于以下优化设计流程确定；

6、其中，temof-nsga-ii优化算法的执行过程包括：

7、s1、构建以最小化流致振动、最小化流动压损及最大化热能回收效率为冲突目标的多目标优化问题，其中设计变量为喉部面积a、安装角及传热系数u；

8、s2、采用temof-nsga-ii两阶段框架求解该优化问题：第一阶段使用代理模型进行全局探索，定位高性能潜力区域并输出初始帕累托解集；第二阶段以该初始帕累托解集为起点，切换至高保真仿真模型在潜力区域内进行局部求精，直至满足基于超体积指标的收敛条件，获得最终帕累托最优解集；

9、s3、从最终帕累托最优解集中选取最佳折衷解，选取对应的喉部面积a、安装角及传热系数u，作为最优参数组合。

10、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，多目标优化问题具体定义为最小化目标向量，其中，

11、，及为文丘里管段喉部面积；及θ为旋流稳流腔段内导流叶片的安装角；及为套管式热能回收段的整体传热系数；为基于流道壁面脉动压力均方根定义的振动指标；为基于增效模块总压降定义的压损指标；为基于套管式热能回收段换热效能定义的热回收效率指标，表示最小化。

12、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，代理模型为克里金模型，其通过拉丁超立方采样获取高保真仿真数据训练得到，用于快速预测不同设计变量下的目标函数近似值。

13、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，基于超体积指标的收敛条件为：在连续l代进化中，最终帕累托解集的超体积的相对改进量小于设定阈值，超体积定义为解集在目标空间中与参考点所围成的体积。

14、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，temof-nsga-ii算法在第一阶段全局探索时，采用采用的交叉分布指数∈[5,15]且变异分布指数∈[5,15]，在第二阶段局部求精时，采用的交叉分布指数∈[50,100]且变异分布指数∈[50,100]。

15、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中的局部求精阶段，temof-nsga-ii算法采用的变异操作，其变异分布指数∈[50,100] ，使概率分布在=0处达到峰值，该变异操作服从以下概率分布：，

16、其中，是变异分布指数；为变异扰动值。

17、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中，最佳折衷解通过计算最终帕累托最优解集中各解到理想点的加权切比雪夫距离来选取，距离最小者被选中。

18、在以上技术方案的基础上，优选的，文丘里管段的结构被配置为对流体进行首次节流与动能耗散，以抑制空化；旋流稳流腔段的结构被配置为将流体转化为优化强度的旋流，以促进汽液分离并抑振降噪；套管式热能回收段的结构被配置为在最小流动阻力下实现显热高效回收。

19、在以上技术方案的基础上，优选的，文丘里管段具有根据最优喉部面积a确定的渐缩收敛段、喉部及扩散段，渐缩收敛段的收敛角、喉部的长度与直径及扩散段扩散角协同最优喉部面积a共同实现流场的优化。

20、在以上技术方案的基础上，优选的，旋流稳流腔段为圆柱形腔体，其内部的两端设有具有最优安装角的固定式导流叶片；

21、套管式热能回收段包括同轴设置的内管与外管，以及位于内管与外管中的套管式换热器，内管与外管形成逆流换热通道，套管式热能回收段的材料、壁厚、间距及流道长度协同最优传热系数u确定。

22、本发明的基于temof-nsga-ii算法优化的疏水阀相对于现有技术具有以下有益效果：

23、（1）本发明通过构建经过算法全局优化的集成式增效模块，改变了传统疏水阀单一或简单叠加功能部件的设计思路。该模块由三级结构单元串联而成，其所有关键尺寸均由优化算法精确确定。第一级为固定式文丘里管，其独特的喉部面积与收缩扩散角经过精准计算，其作用是从流场源头对高速流体进行最优的节流与降速，效果是降低流体动能，从根本上抑制空化效应的产生与阀口处的冲蚀磨损，极大延长阀门寿命。第二级为固定式旋流稳流腔，内部设有角度经过优化的导流叶片，其作用是引导流体形成稳定的旋流，效果是有效破碎气泡、促进液滴聚结，并大幅降低噪音与管道振动。第三级为集成式热回收套，其结构参数与内部流道达到最佳匹配，作用是在保障排水顺畅的前提下高效回收冷凝水中的显热，效果是提升系统整体能效的同时避免因过度冷却增大背压。这三级结构并非简单组合，而是作为一个经过协同优化的整体，共同实现了抑振、节能与长寿命的性能。以此，通过“确定性前优化”设计范式，在制造前即确定最优静态参数，使疏水阀能够内在具备适应宽泛波动工况的优异性能，从而解决了传统设计中的固有矛盾。

24、（2）本发明在算法方面的核心创新在于temof-nsga-ii的两阶段优化框架，temof是一种“先粗后精”的智能优化策略，nsga-ii是一种多目标进化优化算法。该框架将工程设计从依赖经验转变为基于数据驱动的模式。其工作流程始于对疏水阀三个关键静态参数（文丘里管喉部面积a、导叶角θ及换热系数u）的数学建模，将它们定义为高维搜索空间中的设计变量。算法的首要任务是通过多目标优化同时最小化振动、压损并最大化热回收效率，这克服了传统方法无法处理多个冲突性能指标的固有缺陷。为实现这一目标，算法分为两个连续且协同的阶段运行：第一阶段为全局探索，该阶段采用计算成本较低的代理模型快速近似真实的流体动力学与传热过程，驱动nsga-ii算法在广阔的设计空间内进行初步搜索，其作用是高效地定位有潜力的高性能区，避免陷入局部最优；第二阶段为局部求精，算法将第一阶段筛选出的优秀设计方案作为初始种群，转而调用高精度、高保真的仿真模型进行精细优化，其作用是在缩小的高性能区域内进行深度挖掘，确保最终参数的精确性与可靠性。整个过程中，非支配排序与拥挤度计算作为nsga-ii算法的核心机制，保证了算法能够找出一系列在多个性能目标间达成最佳权衡的帕累托最优解，而非单一妥协方案。最终，该算法输出一组特定的最优参数组合（a, θ, u），这组参数作为制造的直接依据，使所生产的静态结构疏水阀在未经任何在线调节的情况下，即具备应对复杂工况的良好性能。

25、（3）本发明中，疏水阀本体完成基本的“阻汽排水”动作后，高温冷凝水与少量闪蒸汽的混合物首先进入文丘里管段，该结构通过其精确优化的渐缩收敛段加速流体，在喉部形成低压区，其作用不仅是降低流体压力能，更关键的是促使部分液态水闪蒸，汽液两相流在渐扩段中速度降低、压力恢复，此过程能有效消耗过剩动能，为后续流程提供初步稳定的流场。紧接着，流体切向流入旋流稳流腔段，经过优化角度的导流叶片引导形成强烈旋流，其作用是利用离心力使密度较大的液滴被甩向壁面并汇集成液膜，而密度较小的蒸汽则集中于中心轴区，实现汽液的初步分离与深度聚结，效果是显著降低流动噪音并稳定流量。最终，被预处理后的流体进入套管式热能回收段的流道，在此处，热量通过壁面传递给外部的冷却工质，其作用是高效回收冷凝水的显热，并使部分闪蒸汽凝结，降低了流出介质的总体积和温度，完成整个疏水、稳流及能量回收的完整流程。