基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计

为进一步探索优化高比转速混流泵水力性能的方法,该文选用比转速为803的高比转速混流泵为研究对象,运用商用软件ANSYS CFX 15.0,选取剪切应力传输(shear stress transport,SST)湍流模型对其内部流动进行计算。以高比转速混流泵的水力效率、扬程为优化目标,采用给定沿叶轮叶片轴面流线的速度矩的分布规律来实现对叶片的间接参数化,以描述该速度矩分布的四次多项式的3个参数为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,最后结合NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优,取效率最优个体和扬程最优个体与初始模型进行分析:得到了上述3个个体的速度矩分布规律与各微元段包角沿轴面流线的变化趋势,效率最优与扬程最优时叶片包角,即各微元段包角之和,分别为75.15°、67.85°。给出了0.5倍叶高处叶轮导叶的相对流线、速度、静压分布以及0.2倍、0.5倍、0.8倍叶高处叶片相对弦长的静压分布。试验证明,效率最优个体的效率较初始个体提高了1.12%,与CFD(计算流体动力学,computational fluid dynamics)计算结果 1.33%接近。该优化方法改善了叶轮的水力特性,提高了高比转速混流泵的性能,为高比转速混流泵的优化设计提供了参考。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

基于径向基神经网络与粒子群算法的双叶片泵多目标优化

针对双叶片泵存在水力性能比相同比转速的多叶片离心泵低的缺陷,该文以一台型号为80QW50-15-4的双叶片污水泵作为研究对象,将其设计流量点的扬程和效率定为优化目标,运用ANSYS CFX(computational fluid dynamics x)进行数值模拟获得性能数据,采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络建立结构参数与扬程、效率性能间的预测模型,并将其用作粒子群算法的适应值评价模型,在样本空间内进行最优值求解,获得扬程和效率的Pareto解。选取扬程最优个体和效率最优个体进行数值模拟,研究其在输运不同介质时的性能与内流场差异,并与初始模型的数值模拟数据相比较。经试验验证,清水介质中设计流量点扬程最优个体的扬程较初始个体增加0.96 m,增幅达到5.5%;效率最优个体的效率较初始个体提升了10.11个百分点。该优化方法改善了叶轮水力特性,使双叶片泵性能得到提高。     

基于CFD的离心泵优化设计与试验

为了提高离心泵的效率,以叶轮效率最大为优化目标进行优化设计。对叶轮进行参数化设计,以实现叶轮几何形状的自动控制以及为优化计算提供优化变量。选择控制叶片积叠线周向定位的2个参数作为优化变量,以?3°～3°作为优化变量的约束范围。利用人工神经网络的学习功能,建立了目标函数与优化变量之间的映射关系。采用遗传算法寻找目标函数的最优值,得到优化变量约束范围内的最优叶轮模型。数值计算结果表明：在设计流量点1 200 m3/h时,优化后叶轮的效率较优化前提高了4.02个百分点,离心泵的效率提高了4.41个百分点,扬程提升了2.63 m。针对非设计工况点性能改善不明显这一问题,对原始蜗壳进行重新设计并与优化叶轮组合进行数值计算。在设计工况点效率提高了1.59%,在1.2倍设计工况点处效率提升了9.93%,在1.4倍设计工况点处效率提升了8.83%;较原始叶轮与原始蜗壳的组合,在设计工况点泵的效率提高了6%,在1.2倍设计工况点点效率提高了9.2%,在1.4倍设计工况点点效率提高了8.59%。优化拓宽了水泵运行的高效区,增强了泵的运行稳定性,离心泵的性能得到了优化,叶轮与蜗壳之间的匹配更合理。该研究对离心泵的优化设计提供了参考。     

基于不等扬程的离心式长轴泵的优化设计与试验

为使离心式长轴泵能够在不同工况下高效运行,该文以500GJC-32.3×3型离心式长轴泵为例,对其进行优化,首先根据传统方法估算离心式长轴泵叶轮参数,通过正交方法对离心式长轴泵叶轮进行优化设计,对正交试验结果进行极差分析,得到了叶轮几何参数对离心式长轴泵扬程和效率影响的主次顺序。综合考虑各参数对离心式长轴泵性能的影响,选取重要因素,基于不等扬程设计理论,采用控制变量法对叶轮进行多方案优化设计,对比不同方案计算结果可知:基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能,选择合适的后盖板无穷叶片数理论扬程系数,可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵,当后盖板无穷叶片数理论扬程系数取1.1时可获得较优的水力性能,对比较优方案的试验与计算结果可知:二者变化趋势相同,扬程、效率、轴功率的最大误差分别为4.02%、5.58%、3.59%,在(0.8~1.2)倍设计流量工况下,扬程、效率、轴功率的误差小。同时由试验可知:该型离心式长轴泵在设计流量时扬程大于97 m,效率高于82%,最高效率点出现在1.1倍设计工况附近为83.22%,曲线具有较宽的高效区和无过载特性,能够满足设计要求,在丰水期和枯水期均能高效稳定的运行,同时可降低电机的配套功率,减少一次成本投入。因此,该文的研究结果对离心式长轴的优化设计有较好的参考价值。     

叶片安放角对轴流泵马鞍区运行特性的影响

为分析叶片安放角对轴流泵马鞍区工况运行特性的影响,以比转速822的轴流泵为研究模型,试验测试了不同叶片安放角下的运行特性。研究表明:随着叶片安放角的增大,模型泵最优工况处的扬程、流量和效率均逐渐增大,-4°到+4°的增幅分别为10.4%,26.7%和0.87%;不同安放角下,泵扬程曲线均存在明显的马鞍区;随着叶片安放角的增大,试验泵马鞍区的绝对位置向右上方偏移,但相对位置仍主要位于0.5QBEP~0.6QBEP(QBEP为最高效率点对应的额定流量),且均在0.55QBEP时扬程达到最小值;随着叶片安放角的减小,马鞍区内相对扬程在逐渐增大,马鞍区驼峰特性有所改善;随着叶片安放角的增大,各个安放角下马鞍区范围内的压力脉动较最优工况下更剧烈;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,泵出口处压力脉动主要受导叶影响,随流量减小逐渐向高频移动;随着叶片安放角的增大,叶轮进口和泵出口处主频处的压力脉动幅值均逐渐增大,在叶轮进口处,0.6QBEP和0.55QBEP时压力脉动幅值最大增幅分别达1.78和1.65倍,在泵出口处,正安放角下压力脉动幅值相对负角度有所增大;内流分析表明小流量工况下叶轮进口存在回流现象,叶轮出口靠近轮毂处有明显旋涡,导致小流量下压力脉动幅值增大。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

基于响应面法的离心泵作透平水力和声学性能优化

为综合优化离心泵作透平的水力和声学性能,建立了一种基于响应面的离心泵作透平水力和声学性能多目标优化方法。首先在对比分析叶轮几何参数对透平水力和噪声影响的基础上,根据敏感度筛选出对噪声影响显著的关键参数;进而应用响应面方法构造显著变量与多目标函数的响应面多元回归模型,分析影响水力效率与噪声的参数间交互作用;最终以水力效率不降低和总声压级最小为响应目标,兼顾性能与噪声确定最优参数组合,即叶片进口安放角为19.5°,叶片出口安放角为20°,叶片出口宽度为16 mm,叶片包角为92°,叶轮进口直径为101 mm,叶片数为12。对某离心泵作透平多目标优化结果表明,叶轮进口直径、叶片出口宽度、叶片数及叶片包角对内场噪声总声压级影响显著;响应面模型能够反映参数与响应值之间的相关性;经试验验证优化后透平水力效率平均提高了1.98个百分点,总声压级降低了4.95 d BA,表明采用的响应面法能够在不影响透平原有水力性能的前提下改善声学性能。     

低比速多级潜水泵优化设计

按无过载设计要求,为大幅度提高效率,以QS10低比速潜水泵的优化为例,选择叶轮出口宽度、叶片进口冲角、叶轮叶片数、导叶进口安放角等10个参数为变化因素,按L27(310)正交试验方案设计了27组模型;研究了适合多级泵性能预测的方法;通过分析计算流体力学两级全流场数值模拟的结果,得到各几何参数对轴功率、效率指标影响的主次顺序:导叶叶片进口安放角β3对效率的影响最大,叶片出口安放角β2对轴功率的影响起主要作用;将正交分析所得到的最优方案制成样机进行性能测试,该优化模型泵额定点效率为58.61%(大于国家规定的效率值51%),最大轴功率值为3.83 kW(符合设计要求的4 kW),验证了正交设计结合数值模拟手段在泵优化设计方面的可行性。     

叶片进口安放角对泵作透平外特性影响的数值模拟与验证

为充分探究离心泵作透平专用叶轮叶片进口安放角的确定方法,该文建立了液力透平专用叶轮叶片进口安放角与设计流量的关系表达式;基于ANSYS Blade Gen与NX软件,分别设计了4个不同叶片进口安放角的透平专用叶轮;在试验验证基础上,通过全流场数值计算,分析了叶片进口安放角对透平外性能的影响。结果表明:叶片进口安放角从60°增大到72°、90°和105°时,透平高效点对应的流量分别为85、90、100和110 m3/h,4台透平数值计算最高效率点流量与理论计算设计流量基本吻合,表明采用该文推导的设计流量与进口安放角的关系式合理。外特性性能曲线显示随叶片进口安放角增大,透平高效点向大流量偏移,最高效率值有所下降,且下降的速率增大。综合考虑透平最高效率及高效区范围,对于比转速为193蜗壳式单级单吸离心泵反转作透平,叶片进口安放角宜设计在60°与90°之间。该研究可为液力透平专用叶轮设计提供参考。     

后掠式双叶片污水泵优化设计与试验

为了解决污水处理用排污泵叶轮易堵塞和磨损问题,该文设计了一种新型后掠式双叶片污水泵叶轮结构。采用正交试验的方法,按照L9(34)正交表,选取了叶片出口安放角β2、叶轮进口直径Dj、叶片出口宽度b2以及叶轮出口直径D2等因素,设计出了9组方案,通过正交试验分析了4个几何参数对泵性能的影响,得出叶轮出口直径D2是影响效率和扬程的最主要因素,并提出了优化设计方案。基于k-ε湍流模型及离散相零方程模型,对污水泵进行了固液两相流数值模拟,并将数值模拟结果与样机试验结果进行了分析对比。结果表明,双叶片、大包角、叶片前缘后掠的设计方法,可使颗粒杂质向外输送至叶片外周边,保证了固体颗粒或纤维的顺利通过,大幅降低了叶片的磨损,从而提高了泵的使用寿命,同时还具有较高的效率。通过样机试验得到优化设计方案在额定流量点的效率为80%,扬程为11 m,效率高于国家标准2.5%,该水力设计方法对污水泵水力设计具有一定的参考价值。     

立式管道泵进水弯管和叶轮的参数化分析与验证

管道泵的肘形弯曲进口结构影响了叶轮的入流,导致管道泵内部流动特性复杂,整体性能下降。为了探究管道泵不同设计参数对内部流动的影响,该研究基于三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,结合剪切应力传输模型对管道泵入流畸变特性展开了数值模拟,并进行了试验验证。同时,选取了进水弯管和叶轮的40个设计参数,使用拉丁超立方设计方法创建了300组设计样本,通过Pearson相关性分析,数值研究了进水弯管和叶轮的设计参数对管道泵效率、扬程及入流不均匀度的影响。结果表明:数值计算结果与试验结果的吻合良好,模拟方法具有较好的预测精度;进口流道内发现了伴有二次流涡对的流动分离区,且其内部流动分布不对称,在设计流量和小流量工况下,进口流道内部流动分别以反向涡对和回流旋涡为主;管道泵的性能与叶片安放角及叶片数显著相关。研究表明具有40°～50°进口安放角、20°～40°出口安放角及较大进水弯管长度的管道泵具有更好的性能和稳定性,此区间内的样本相较于原始模型效率平均提高了5%。研究结果可为管道泵的设计优化提供参考。     

基于CFD的射流自吸泵性能优化与试验

为提高射流自吸泵效率,该文选择关键结构参数射流器喉管直径、射流器出口直径、叶轮出口宽度和叶片数作为目标因素,设计四因素三水平正交试验,共9组试验。运用数值分析软件提供的湍流模型对各方案进行数值计算。通过极差分析确定性能最优参数组合,其中对效率影响最主要因素为喉管直径。以喉管直径为优化目标设计单一变量试验,分别在小流量点、额定流量点及大流量点进行数值计算,通过数据拟合得到正交试验最优参数组合在不同流量下以喉管直径为自变量的扬程、效率方程式,运用极值运算及加权平均得到最优喉管直径。试验结果表明:相比原型泵,优化模型在额定流量点效率提高约5%。该研究为同类泵的优化提供了一种较可靠的试验设计及数据处理方法。     

基于析因试验的喷滴灌两用自吸泵设计

为了使自吸泵能够同时满足喷灌系统在流量12 m3/h、扬程30 m、滴灌系统在流量18 m3/h、扬程20 m时2个工况点的设计要求,该文采用试验设计(design of experiment,DOE)和数值模拟相结合的方法,对1台50ZB-30C自吸泵的叶轮进行多工况设计改进。重点分析了叶轮几何参数对泵扬程的影响规律,建立了不同工况点的扬程与叶轮主要几何参数之间的回归方程,并对该方程的参数进行赋值计算,得到满足设计要求的叶轮几何参数值。样机试验结果表明:安装了新叶轮的喷滴灌两用自吸泵在流量为12 m3/h时扬程达30.3 m,流量为18 m3/h时扬程达21 m,达到了设计要求。证明通过DOE方法能够建立数学模型来描述不同工况点的扬程与叶轮几何参数之间的关系。随着叶片包角的增大和叶片出口安放角的减小,扬程曲线会更加陡峭。研究为泵的多工况设计提供参考。     

轴流泵多工况优化设计及效果分析

为了提高轴流泵非设计工况的运行效率,拓宽轴流泵高效区范围,对轴流泵进行多工况优化设计。结合轴流泵段的模型试验,采用数值模拟手段和数值优化技术,改变叶轮的几何设计参数。对轴流泵叶片进行参数化建模,再对轴流泵叶轮结果进行泵段数值模拟。最后以轴流泵段3个流量工况点的加权平均效率最高,扬程为约束条件,改变轴流泵叶轮的设计参数,对轴流泵段进行多工况优化设计。研究结果表明:优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽,其中小流量工况点效率提高约2.6%,设计工况点效率提高约0.5%,大流量工况点效率提高最多,约7.4%,而对于扬程变化范围较小,各工况点扬程均能满足运行要求,大大降低了运行成本,缩短了优化设计的周期。同时采用CFD计算的学科分析方式,结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化方式,证实了轴流泵段多工况优化设计的可靠性、高效性。该研究将为泵站的高效运行和轴流泵的多工况优化设计提供参考。     

高扬程无过载潜水排污泵的优化设计与试验

为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一,该文对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法,经优化得出3种方案。应用Pro/E软件建模,结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测,并与外特性试验结果对比。研究结果表明：采取增大叶片包角、减小出口角,控制流道扩散程度和增大蜗壳直径等方法可以得到满足高效率、高扬程、无过载要求的设计方案。其中,突破传统离心泵设计方法的新型通道式叶轮高效区范围更宽,扬程曲线陡降,无过载性能较好,可为高扬程无过载潜水排污泵的进一步优化设计提供参考依据。     

S形下卧式轴伸贯流泵装置的振动特性分析

为分析S形下卧式轴伸贯流泵装置的振动特性,该文通过物理模型试验,研究了5个叶片安放角时S形下卧式轴伸贯流泵装置的能量性能,在导叶体进口处布置2个振动测点,采用EN900数据采集分析仪和振动速度传感器VS-080对叶片安放角为+4°与4°时各工况的泵装置模型进行振动测试和分析。测试结果表明:在叶片安放角2°时,S形下卧式轴伸贯流泵装置的最高效率达83.55%,此时流量为289.28L/s,装置扬程为4.438m。在相同叶片安放角时,泵装置在径向的振幅峰峰值Ap-p高于铅垂方向。随泵装置扬程的增大,径向振幅峰峰值呈先减小后增大的趋势,泵装置的不平衡振动频率与转频成倍数函数关系。在扬程相同时,在叶片安放角为+4°时泵装置在径向的振幅峰峰值较大,不同叶片安放角时泵装置铅垂方向的振幅峰峰值差异性较小。研究结果可为该泵装置的安全稳定运行及同类型泵装置的振动分析提供参考。     

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNG k-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响：较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响：随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频（fn）的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,（0.25～0.5）fn的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明：蜗壳隔舌处频率为2fn的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

泵作透平专用叶轮直径的确定及其对透平性能的影响

为了以理论方法建立前弯叶片泵作透平专用叶轮直径与设计流量的关系,揭示叶轮直径对透平性能的影响,该文以比转速为66的离心泵为原型,推导叶轮直径与设计流量的关系表达式。在不改变原型泵其他过流部件的前提下,基于ANSYS Bladegen软件设计3个进口安放角均为90°,直径分别为235、245和255 mm的前弯叶片透平专用叶轮。在试验验证基础上,分别完成3台透平全流场数值计算。结果表明:叶轮直径对透平外特性有显著影响,高效点随叶轮直径增加向大流量偏移。最高效率点均出现在计算临界流量稍偏右侧,与理论推导结论基本相符。叶轮直径从235 mm增大到245和255 mm时,透平最高效率分别提高了1.73%和3.32%。随叶轮直径增大,小流量区效率下降且降速快,大流量区效率提高且高效区宽。该研究丰富了液力透平设计方法,可为前弯叶片透平专用叶轮设计提供参考。