采用近似模型和NSGA-Ⅱ遗传算法的旋流泵性能优化研究

旋流泵无叶腔宽度、叶片数和叶片宽度是影响旋流泵性能中最重要的几何参数。【目的】建立旋流泵性能优化方法,为今后的工程提供参考。【方法】采用中心复合的方法对无叶腔宽度L、叶片数Z和叶片出口宽度b2进行了试验设计,使用CFD数值计算获得了样本的性能特性,而后采用Kriging模型建立了几何参数与旋流泵效率和叶片表面剪切应力的关系,最后利用非支配排序遗传算法对几何参数进行多目标寻优并进行了性能预测和对比分析。【结果】研究确定旋流泵最优几何参数L为25 mm、Z为8枚、b2为26.45 mm;优化后旋流泵无叶腔的宽度降低了16.67%,叶轮的叶片数增加了1枚,叶片的出口宽度增加了25.95%。优化后旋流泵的效率显著提高,同时叶片的表面剪切应力降低;在设计工况点,旋流泵的效率提高了1.06%,叶片平均剪切应力从优化前的274.37 Pa减少至204.57 Pa,降低了25.44%;优化后消除了在叶片的前缘处较大的剪切应力;叶片的表面的剪切应力在靠近叶片的出口处得到显著抑制。【结论】通过数值模拟验证了中心复合的方法是可行,提高了旋流泵性能。     

基于正交设计法的旋流自吸泵泵体结构优化

用正交设计法通过模拟试验对旋流自吸泵泵体结构参数进行了优化设计,设计了一个4因素3水平的正交方案,研究了泵体各几何参数对旋流自吸泵性能的影响.通过分析性能曲线对比图,找到了对于各个性能的最优方案.并通过对数值计算的数据进行极差分析,获得了各几何参数影响4个性能的主次顺序.通过对数据结果进行综合平衡分析和比较,得出了最优的参数组合.得出的最优参数组合不在原有设计方案中,因此根据分析结果对模型泵进行了再设计.将再设计方案与原有方案的性能作了对比,并判断其为最优方案.本模拟结果对旋流自吸泵性能优化设计有一定的参考价值.     

基于正交试验的高速井泵优化设计

为了提升高速井泵的水力性能,探讨影响其性能的主次因素,以100QJ10型高速井泵为研究对象,按照L₁₈(3⁷)正交表,选取叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数等7个因素,每个因素选取3个水平,共设计18组叶轮,并分别与同一个导叶装配.应用CFX 15.0软件对18组模型泵进行全流场数值模拟,利用极差分析法研究影响100QJ10型高速井泵性能的主要和次要因素.结果表明:叶片出口安放角和叶轮出口边斜切角度对高速井泵的水力性能影响较大;本次优化最优方案为叶轮出口宽度b₂=6.5 mm,叶轮出口直径D₂=80.5 mm,叶片出口安放角β₂ = 27°,叶片数Z=7,叶片进口直径D₁=40 mm,叶轮后盖板与反导叶最底端轴向间距h=3.5 mm,叶轮出口斜切角度为0°.分别对初始模型和优化模型进行外特性试验并对比分析,验证了正交试验结合数值模拟方法在高速井泵优化设计方面的可行性.     

复合叶轮离心泵数值模拟正交试验设计方法

按无过载离心泵设计要求,选择对复合叶轮离心泵性能影响比较关键的叶片出口安放角β2、叶片出口宽度b2、喉部面积Ft和短叶片进口直径Di的4个参数为变化因素按正交方案设计了9台复合叶轮离心泵模型。采用Fluent全流场数值模拟方法对设计的9台模型泵进行正交试验,得到了各几何参数对复合叶轮离心泵各性能指标影响的主次顺序, 并得出模型泵的最优设计方案。对最优设计方案的样机试验表明,全流场数值模拟方法的选 优结果在实现无过载的同时,保持了较高效率,达到了试验目的。研究结果验证了全流场数 值模拟正交试验选优的可行性。     

基于CFD正交试验的旋流泵优化设计与试验

为了优化旋流泵的水力性能,找出影响旋流泵性能的主要结构参数,采用正交试验方法,选取叶轮外径D2、叶片数Z、叶片宽度b2、叶片出口安放角β2、叶片进口安放角β1为主要因素,选取L16(45)正交表得到16组方案,由数值计算结果级差分析初步获得各因素的较优取值范围,再次进行少因素的正交试验,通过级差综合分析法,探索主要因素对旋流泵的影响规律,找到了影响旋流泵性能的主要因素和次要因素,最终得出较优方案组合。原型机和较优设计方案内流场和试验结果对比分析表明:旋流泵进口处产生两个不同程度的回流损失;优化方案内流场回流损失较少,优于原型泵;较优方案比原型机的效率高出4.2个百分点,扬程高出10 m左右;效率和扬程有一定的提高,满足设计要求,验证了正交试验的可行性。     

叶轮几何参数对自吸泵自吸性能影响的数值分析

为研究叶轮几何参数对自吸离心泵自吸性能的影响,引用正交实验的方法,选取叶片出口角、叶片数及叶片包角三个因素设计了叶轮的9种方案。采用FLUENT软件预测各方案的外特性,并对自吸过程进行定常数值模拟以比较自吸性能的优劣,分析了所选取几何参数对自吸泵自吸性能的影响顺序,为自吸离心泵的设计提供参考。     

基于正交试验的深井泵优化设计

以深井泵叶片数、出口安放角、出口宽度等7个因素,每个因素取3个水平,按L18(37)正交试验方案,设计了18副叶轮.通过CFD技术对叶轮、导叶在内的两级深井泵的全流场进行了设计工况下的三维数值模拟,获得了18组设计方案的效率、扬程值.通过正交试验法探索了各几何参数对效率、扬程的影响规律,并通过极差分析找到了影响这些性能的主要因素和次要因素,根据优选结果结合内部流场测试及样机试验验证对模型泵提出了进一步优化设计方案.本试验结果对采用叶轮极大扬程设计法的深井泵水力设计具有一定的参考价值.     

基于正交试验的高扬程混流泵优化设计

为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率,选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径等4个因素,每个因素取4个水平,利用正交设计软件SPSS进行正交试验方案的设计,应用CFD软件ANSYS CFX对设计的16副叶轮进行三维数值模拟,利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度,进而得到最优组合方案,最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优选方案的可行性.结果表明:叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大,叶片包角对效率影响程度最大.在设计流量下,兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高,泵段内水流流态较好,压力分布均匀,达到优化设计的目的.因此,基于正交试验的高扬程混流泵优化可行,优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失,提高其水力性能,并改善其内部流动.     

火电机组脱硫泵的设计及其磨损

根据两相流的理论设计方法对火电机组所用脱硫泵的叶轮直径、叶轮出口宽度、叶片进出口安放角和压水室等几何参数进行优化设计,适当增大叶片出口宽度和涡室排出口直径、并减小叶片出口安放角以减小磨损,提高泵的效率和水力性能.基于Pro/E软件建立泵的三维全流场模型,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3,采用欧拉多相流模型对泵内两相流场进行了数值模拟.对两相流场的磨损机理进行了阐述,根据泵的设计工况对流道内固相体积分数分布进行数值计算及分析,同时对过流部件的基本磨损情况和主要磨损部位进行了预测.结果表明：叶轮的主要磨损部位在叶轮进出口处、叶片工作面、叶片前流线和前盖板处;设计的压水室耐磨衬板间隙自动补偿装置的可更换的结构形式能够保证泵的高效运行并延长泵的使用寿命;泵的性能试验结果表明该泵设计合理,额定点效率提高了3.8%.     

基于响应曲面法的氟塑料两相流泵优化设计

为提高氟塑料两相流离心泵的效率及降低磨损率,基于离散颗粒模型(DPM)对氟塑料两相流泵内部流场进行模拟仿真,结合FINNIE磨损模型,对泵叶轮的磨损情况进行预测,采用响应曲面法,以叶轮的主要几何参数为变量,构建各优化目标的数学模型,利用Matlab绘制上述6个叶轮外形参数与各优化目标之间的3D响应面图形,并通过Matlab统一各数学模型,对SJB400-250-300型氟塑料离心泵叶轮的外形参数组合进行寻优,得到最优参数组合.研究结果表明,氟塑料离心泵叶轮的各外形参数之间存在交互性影响,当叶轮进口直径D₁、叶片包角φ、叶片进口安放角β₁、出口角安放角β₂、叶片出口宽度b₂取高水平,叶轮出口直径D₂取低水平时,能够获得更好的综合性能,优化获得模型相较于原模型,效率提升8.98%、磨损率下降了6.64%.通过对参数和优化目标间的交互关系进行分析总结,得到了叶轮各几何参数及各性能参数之间交互作用对优化目标的影响,为氟塑料两相流离心泵的性能优化设计提供依据.     

玉米干储一体仓气流场仿真分析与优化

为提高玉米干储一体仓中气流场均匀性,采用计算流体力学和正交试验相结合的方法对玉米干储一体仓内部气流场分布进行数值仿真和参数优化。通过单因素试验,研究水平进风管位置、竖向通风笼直径、单位通风量3个因素对玉米干储一体仓通风均匀性的影响规律,并通过系列数值仿真及正交试验对干储一体仓通风结构及参数进行优化设计。结果表明：干储一体仓内气流的平均速度,受不同水平进风管位置的影响不明显,随着竖向通风笼直径的增加呈逐渐降低趋势,而随着单位通风量的增加持续增长。速度不均匀系数随水平进风管位置从上到下变动、竖向通风笼直径增加和单位通风量增加分别呈现先减小后增大、先急剧后缓慢降低和整体增加的趋势。其中,竖向通风笼直径对干储一体仓内部流场均匀性的影响最为显著,其次是水平进风管位置和单位通风量。优化后的干储一体仓通风结构及参数的组合为水平进风管位置-0.34m、竖向通风笼直径400mm、单位通风量20m3/(h·t),此方案下干储一体仓内部流场速度不均匀系数综合加权评分值与初始方案相比提高了77.4%,表明了优化方案的可行性。     

两级离心泵径向导叶水力优化

为提高已有两级离心泵中径向导叶的水力性能,按照正交试验要求,选取径向导叶的喉部面积、扩散角、反导叶数、反导叶高度4个因素,每个因素取3个水平,设计9个导叶.基于ANSYS CFX软件,选取k-ε湍流模型,并结合全隐式耦合算法对装配具有不同几何参数径向导叶的两级泵全流场进行数值计算,获得了9组设计方案在额定工况下的扬程、效率.以泵的扬程和效率作为试验指标,利用极差分析法分析了所选几何参数对于两级泵扬程、效率的影响规律,以及影响径向导叶性能的主要因素和次要因素,提出了性能较优的径向导叶方案.径向导叶喉部面积对两级泵的扬程、效率影响较大.经数值计算可得,较优方案的额定工况下的扬程为211.70 m,效率为47.63%,较之优化前的径向导叶,扬程提高了1.24 m,效率提高了4.00%,取得了较好的优化效果.     

旋转式钵苗栽植机构多目标参数优化与试验

为了方便快捷地得到旋转式钵苗栽植机构的最佳参数,提出了旋转式钵苗栽植机构作业时实现理想栽植应满足的条件,包括栽植嘴运动学特性(轨迹、姿态、速度)、挖出穴口的几何特性、栽植机构避免干涉和非圆齿轮的保凸性要求。根据这些要求,以偏心-椭圆齿轮行星轮系栽植机构为研究对象,建立其11个子目标函数,并应用模糊理论,将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解,得到满足理想栽植要求的参数,然后进行结构设计、虚拟仿真、试验台加工和模拟田间栽植试验,验证了该栽植机构的高立苗率和优化模型的正确性。该优化模型的建立和求解克服了栽植机构传统参数设计时采用仿真软件进行试凑的缺点,提高了优化效率。     

面向能量优化的产品设计方案评价方法

在分析产品能量特性评价的基础上,建立了融合经济性和环境性并充分考虑使用过程能耗因素不确定性的产品能量优化性能评估模型.基于产品的使用过程建立了面向能量优化的经济性分析模型和环境性分析模型,分析了在产品使用阶段中影响能量优化的不确定性因素并进行建模分析,得到产品能量优化性能评价值.然后采用模糊信息公理法对产品设计方案进行评价,获得最优设计方案.以某运输设备减速器为例,验证了所提方法的可行性和有效性.     

面向制造的灌水器产品快速定型与模具CAE研究

对3种滴灌灌水器进行了线性回归分析,得到了收缩率和壁厚的数学模型,为灌水器滴片结构优化提供了理论依据;通过注塑成型工艺参数的正交试验设计得到了最佳注塑工艺参数;由极差与方差分析得到影响尺寸精度的主要因素,为实际生产提供参考依据.针对迷宫灌水器微细流道精细复杂的特点,应用快速成型RP与数控线切割NC相结合的方法制作精密原型,结合快速模具RT技术进行灌水器试制,并通过灌水器水力性能和抗堵性能试验对产品进行了性能验证.     

基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究

为提高多级井用潜水泵的效率,同时保证泵的扬程,以200QJ50-65型5级井用潜水泵为例,按照L9(34)正交表,选取了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度3个因素,每个因素取3个水平,组合出9组方案。采用CFD数值模拟对多级井用潜水泵的前两级进行了全流场数值模拟,获得了9组方案在额定工况下的效率、扬程。通过正交试验法和极差分析得到了各因素对效率和扬程的影响规律以及各因素对泵效率、扬程影响的主次顺序,提出了多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口匹配的最佳方案。结果表明:优化方案在额定工况下相比原模型泵的效率提高了4.87%,单级扬程提高了2.8 m。通过内流场分析得到了优化后泵的水力性能提高的原因。     

大型箱涵式泵装置优化设计与试验

为了研究箱涵式泵装置进、出水流道的水力性能,采用了基于CFD数值模拟计算和模型试验的DOE正交设计试验方法。对进、出水流道进行三维参数化建模,以进水流道出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,针对进水喇叭管、导水锥和出水喇叭管、出水导流墩控制尺寸进行五因素四水平的正交试验设计。通过CFD数值模拟手段,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各16个设计方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和试验结果表明,通过DOE正交设计方法进行进水流道优化设计,可以得到各控制参数对进水流道水力损失和出口断面均匀度的主次影响,进水流道最大水力损失达到8.56 cm,最小水力损失为3.91 cm,优化方案水力损失为3.65 cm,出口速度均匀度达到93.07%,较初始方案水力损失降低了1.31 cm,出口速度均匀度提高了1.17个百分点;出水流道最大水力损失为46.07 cm,最优组合出水流道水力损失为32.53 cm,较原始方案水力损失减小了7.96 cm。根据泵装置全特性曲线可知,该泵装置出水流道水力损失在设计工况下最小,最高运行效率达到70.04%,最高运行扬程为4.0 m,在设计扬程1.36 m时,效率为66.82%,对应流量为34.31 m3/s。模型试验最高运行效率达到71.5%,在设计扬程1.36 m时,试验运行效率在64%左右,与数值模拟结果吻合较好。     

泵站虹吸式出水管数值模拟及水力优化

利用RNG 紊流模型,采用有限体积法和结构化网格,对虹吸式出水管进行数值模拟。由数值模拟结果分析了虹吸式出水管内部水力特性,并通过改变影响虹吸管水力特性的几个主要参数对原方案虹吸管进行了水力优化。优化方案较原方案进行比较,在水流流态、压力分布和水力损失方面,均有明显改善,可为虹吸式出水管设计提供参考。