[发明专利]一种面向工业环境移动个体的工位送风设计方法

权利要求书

1.一种面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，其特征在于：通过遗传算法耦合伴随方法优化工位送风气流参数控制向工业环境移动个体的工位送风，为高污染场所个体呼吸污染暴露减量；

所述面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，包括以下步骤：(1)选取圆形喷口作为个体呼吸防护气流的送风装置，则根据射流基本特征，喷口送风将与个体呼吸高度所在的平面相交；平面与射流轴非正交，相交断面呈椭圆形；

步骤(1)包括：

(1.1)根据射流的几何特征，当射流轴非正交于已知平面时的主体段断面流量及真实动量为：

其中，Q为主体段断面流量，m³/s；Q₀为圆形喷口出口流量，m³/s；v_s为射流主体段质量平均流速，m/s，反映主体段的真实动量；β为垂直于射流轴的圆断面与水平面的夹角；u₀为射流出口断面的平均速度，m/s；a为紊流系数；s为射流断面到圆形喷口的距离，m；r₀为圆形喷口半径，m；所述紊流系数a对于圆形喷口取0.08；

(1.2)若要满足以上椭圆面覆盖移动个体的呼吸区域，需统计个体在操作机器时的移动范围；

(2)确定通过反向设计求取的设计变量；首先假定射流出口位置由管线布置决定，同时假定射流出风口为圆形，两者均是确定量，则本发明中的风口设计变量包括出风角度β、出风速度u₀以及出风动量面积S；

步骤(2)中，以步骤(1.2)所划定的椭圆截面积参数包括长轴长度la’与短轴长度sa’、射流主体段质量平均流速v_s以及个体的呼吸暴露量PEQ为设计目标，其中，个体在设备运行周期内的呼吸暴露量可由如下公式表示：

式中，C_i(t)为t时刻个体呼吸区污染浓度，mg/m³；

(3)由遗传算法随机生成所述设计变量β、u₀及S初始种群，种群规模设为U，即包含U个代表不同设计变量取值的个体；

(4)调用CFD对以各种取值组合的设计变量为边界条件的工况开展模拟，待所有个体计算完毕后将计算结果导出，将其代入优化目标函数公式计算适应度；

(5)所述设计变量u₀、S对应的适应度计算完毕后，检验所有个体的适应度是否满足预先设定的收敛条件，若满足，则输出满足多目标的最优设计变量；若不满足，则进入遗传算法的选择、交叉、变异操作过程生成一组新的设计变量重复上述步骤；

(6)在执行突变操作时结合了伴随方法；

(7)当计算的所有适应度值达到计算终止条件后，需对满足不同设计目标的设计变量进行回归分析，减少遗传算法所需计算的工况数量。

2.根据权利要求1所述的面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，其特征在于，步骤(1.2)中采用给个体操作区域划定椭圆边界线的方法实现。

3.根据权利要求1所述的面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，其特征在于，

步骤(4)包括：

(4.1)气流优化目标函数的数学表述如下，

式中，OF₁、OF₂及OF₃分别为满足个体呼吸暴露设计阈值、射流包络面设计质量平均流速及截面参数的目标函数；PEQ_T为设计个体呼吸暴露量阈值，mg；PEQ为模拟计算得到的个体呼吸暴露量，mg；v'_s和v_s分别为设计射流断面质量平均流速和模拟计算得到的射流主体段质量平均流速，m/s；la'和la分别为所划定的设计椭圆长轴长度和模拟计算得到的对应平面上的射流椭圆长轴长度，m；sa'和sa分别为所划定的设计椭圆短轴长度和模拟计算得到的对应平面上的射流椭圆短轴长度，m；

(4.2)根据自由射流几何特征，在等温射流条件下，易知当风口位置及射流断面的几何、位置参数同时确定时，射流风口的出风角度β也唯一确定，此时，剩余设计变量为射流出风速度u₀及出口面积S，实现了寻优设计变量的减量化。

4.根据权利要求1所述的面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，其特征在于，步骤(6)包括：

(6.1)所述伴随方法通过引入与设计变量一一对应的拉格朗日乘子κ将目标函数转化为如下统一形式，

Y＝R+κZ

其中，Y为拉格朗日状态空间下的新目标函数；R为原目标函数；Z为状态函数，且Z(χ,h)＝0；χ为状态参数；

(6.2)接下来，计算新目标函数Y关于设计变量h的梯度，则，

令

上述公式即为状态函数Z(χ,h)＝0的伴随方程，经由此方程计算状态参数χ的值后，新目标函数Y对设计变量h的梯度则由如下公式计算：

根据的梯度计算值确定新的设计变量取值h'；借由伴随方法可以一次性计算出设计变量相对于u₀、S目标函数的梯度，从而使突变沿着最优梯度方向前进。