基于BP神经网络的立式离心泵导叶与蜗壳优化设计

立式离心泵是大型灌溉和长距离调水工程的核心动力装备,单机配套功率能够达到40 MW级。为了降低立式离心泵的运行能耗,以效率指标为优化目标,基于BP(反向传播)神经网络模型与多岛遗传算法对其多个过流部件进行优化设计。考虑到各过流部件的匹配性,采用Plackett-Burman试验设计从导叶与蜗壳的10个设计参数中筛选出优化设计变量。运用最优拉丁超立方采样方法设计了106组方案,并搭建了立式离心泵自动数值模拟优化平台。基于BP神经网络模型构建了优化设计变量和优化目标之间的高精度非线性关系,最终通过多岛遗传算法得到导叶与蜗壳的最优参数组合。研究结果表明,运用SST k-ω湍流模型能够准确地预测立式离心泵的性能参数;BP神经网络是映射泵设计参数和性能参数间内在联系的有效方法;优化后模型设计工况下效率达到90.21%,较原始模型提高了3.61个百分点;优化后的导叶与蜗壳对立式离心泵设计工况和小流量工况下的性能影响更为显著;优化后导叶与其他过流部件匹配性提高,导叶与蜗壳内部流动特性得到明显改善。     

轴流泵叶轮非线性环量数学模型建立与试验

以轴流泵叶轮出口速度梯度方程和轴面速度表达式为基础,建立了轴流泵叶轮非线性环量数学模型,并推导了叶片出口流动方程式.采用微型五孔球形探针,对南水北调工程用轴流泵模型(TJ04-ZL-06)最优工况下叶轮出口不同半径位置的环量和轴面速度分别进行了试验测量.试验结果表明,高效轴流泵叶轮出口环量呈现非线性分布,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至中部的1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大.基于建立的非线性环量数学模型对叶轮出口轴面速度分布进行了计算,结果表明不同半径的轴面速度计算值与试验值误差均小于5％,验证了数学模型的可靠性.     

ALIP电磁泵三维瞬态特性与不稳定流动机理

采用基于有限元法的COMSOL软件,建立ALIP电磁泵三维瞬态磁流耦合模型.通过整体式外定子 ALIP电磁泵模型的模拟结果与前人试验数据的对比,验证模型的正确性.在此基础上,建立分离式外定子ALIP电磁泵模型,观察到类开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象的演化过程.周向面(φ-z)上逆向流和涡总是出现在2个定子间空气对应的流道区域,后期在空气对应的涡流区域后方出现类似波浪的流体摆动;子午面(r-z)上不稳定流动最先在外管壁处出现.最后,从力平衡角度分析类开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象的形成机理.研究表明,分离式定子结构使磁场和洛伦兹力在周向和径向上分布不均,进而影响流场分布,最终导致不稳定流动.     

采用ILUT预处理的BiCGstab算法及在叶轮内流计算中的应用

介绍Krylov子空间迭代算法及预处理方法。采用有限体积方法对不可压缩流动方程进行离散。对离散形成的大型代数方程组,采用ILUT为预处理的BiCGstab算法进行求解。给出ILUT预处理算法及BiCGstab算法求解代数方程组的步骤。将该算法应用于旋转叶轮内流计算,计算结果与ERCOFTAC叶轮已有的结果较为符合。数值计算表明采用ILUT配合BiCGstab算法比选择标准ILU预处理速度更快,稳定性也较好。     

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。     

基于DEM-CFD的旋流泵大颗粒内流特性模拟与试验

鉴于抗堵塞性能较优的旋流泵在输送污水时，其过流部件仍存在磨损、半堵塞等问题，将DEM-CFD方法引入旋流泵数值模拟中，研究旋流泵在输送不同粒径、体积分数颗粒时的颗粒运动物理特性，以及颗粒与液相、固壁多向耦合的运动特征，并进行了试验验证。结果表明，由旋流泵输送油菜籽试验可知，外特性计算结果与试验结果基本一致；在该旋流泵模型特征下，进口管与无叶腔区域由循环流引起的颗粒旋转流动现象较为严重，从无叶腔沿着进口壁面螺旋式逆向回流，与进口顺向来流相混达到平衡，试验拍摄结果与数值模拟结果较为相符，说明DEM-CFD耦合方法具有一定可靠性；旋流泵内部存在3种不同的颗粒运输方式，第1种为颗粒随贯通流经由叶轮进入蜗壳，第2种为受循环流影响经由无叶腔直接甩入蜗壳，第3种为颗粒从叶轮前端面区域进入叶轮，再经叶轮进入蜗壳；对蜗壳内流特性进行分析，发现颗粒主要分布在蜗壳后侧，在扩散段到蜗壳出口区域，颗粒随液体以螺旋的方式流出，蜗壳断面叶轮侧形成大小不等的螺旋涡。     

叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.     

多级离心泵圆周弯扭式导叶设计及性能试验

为开发一种紧凑式多级泵,研究配套的一种圆周弯扭式导叶,其设计思路源自扭曲离心叶轮设计方法。通过固定导叶顶端曲线,将导叶底端曲线沿圆周方向向前延伸,形成弯扭式曲面。该导叶结构具有2个优点。首先,导叶底端沿圆周向前延伸后保证了较大的喉部进水区域面积。其次,利用底端向前延伸的部分与下一个叶片的圆柱部分自然形成扩压器状的过流通道,增强了导叶的扩压能力。在二次开发技术的基础上开发出该结构的水力设计系统。利用该系统设计出多组方案,同时利用CFD计算分析,经过不同方案的比较,最终获得了优化的导叶模型,并通过样机试验验证该模型具有较好的水力性能。该设计方法将有利于多级泵的节能,同时该方法也为紧凑式多级泵开发提供了有益的参考。     

高温熔盐泵转子系统应力与模态的数值模拟

为了提高太阳能光热发电系统高温多级熔盐泵的运行可靠性,基于流固热多场耦合理论系统对熔盐泵在极端高温工况下的结构应力进行研究,对比分析高温转子系统在无预应力和有预应力(流场、质量力和温度载荷)作用下的模态特征.研究结果表明:熔盐介质的密度和黏度对外特性影响较小,清水测试结果可作为高温熔盐泵运行性能的参考;随叶轮级数增多,各级叶轮温度整体升高,且叶轮的温度变化呈中心对称分布,叶轮最高温度随流量减小整体上升;叶轮受到的主要应力来自流场与质量力载荷,且分布具有对称性;在叶片与盖板交线处有应力集中现象,在叶片尾缘处应力大幅上升至60.000 MPa以上;温度是引起叶轮变形的首要原因,随温度升高,叶轮变形量增大;转子结构的固有频率在有预应力下比无预应力时有较大程度提升,上升幅度为109%~498%,各阶振幅没有明显规律;熔盐泵临界转速值均偏离泵额定转速,避免了转子系统在运行中发生共振.研究结果可为高温熔盐泵设计开发提供一定的理论依据.     

基于CFD-DEM的旋流泵混合颗粒固液两相流研究

为了探究折叶片旋流泵固液两相输送机理，基于CFD-DEM (Computational fluid dynamics-discrete element method)耦合算法，选用油菜籽和黄豆颗粒等比例混合，在不同流量工况和体积分数下对旋流泵进行固液两相流数值模拟和试验研究。同时也研究了折叶片旋流泵内部流动规律及颗粒分布特征。小流量工况下，进口管内螺旋回流长度较长，对进口来流扰动较大。随着流量增大，进口管回流长度逐渐缩短。叶轮前端面旋涡随流量增大，数量先增加后减少，且逐渐向折点方向聚拢。泵内颗粒受循环流和贯通流的共同作用，进口管中心部颗粒主要受贯通流影响，直接穿过无叶腔，冲击叶轮进口；靠近管壁的颗粒受循环流影响较大。无叶腔内颗粒分布呈现出：中心部最高，中间部随外径增大浓度逐渐降低，外缘部浓度稍有上升。叶轮前半部颗粒数量明显少于叶轮后半部，颗粒沿叶片第1段折边运动，在折点处开始发生分离，不再跟随第2段折边。不同工况下，泵进口有不同程度的螺旋回流现象，导致进口过流面积减小。循环流的存在，使得无叶腔和进口管的颗粒充分旋起，泵送能力增强，不易发生堵塞。