离心泵多目标多变量优化设计模型实用化研究

从离心泵整体损失功率最小、抗汽蚀性能和无驼峰扬程曲线作为设计目标,在考虑叶片入口预旋的条件下建立了一个实用化离心泵的多目标多变量优化数学模型。应用MATLAB遗传算法工具箱对该多目标多变量优化模型进行数值求解,得到了叶轮进出口直径、叶片进出口安放角、叶片进口位置、叶轮出口宽度、叶片数及包角等关键设计参数的优化结果。最后采用CFD数值模拟的方法来进行验证,表明该优化方法是实用可行的。     

汽车冷却水泵优化设计及试验研究

针对比转数为59的汽车冷却水泵,选择对性能影响较大的叶轮的6个水力参数β2,b2,D2,Z,D0,φ,并添加了1个附加的辅助因素e.根据叶轮原有参数值,设计2组不同的参数值,得到因素的2个水平.由此,设计了L8(2⁷)七因素两水平的正交表,即8个叶轮设计方案.通过Ansys-CFX12.1软件分别对8个方案水泵的全流场进行定常数值模拟,以设计工况点的扬程和效率以及最高效率点的流量、扬程和效率为性能指标,通过极差分析以及内部流场对比分析,优化叶轮参数.将优化后的叶轮和原始叶轮分别进行数值模拟和外特性试验,分别比较得到的结果后得出,优化叶轮提高了水泵在额定点的效率,并且增大了高效区范围,同时也使扬程曲线更平缓.结果表明了正交法的可行性,说明了正交表结合CFD技术进行水泵设计,不仅可有效改善水泵产品的水力性能,并且能很大程度地缩短研究时间,从而提高工作的效率.     

多级离心泵多变量优化设计研究

从建立多级离心泵叶轮特性与导叶特性的匹配关系入手,建立了包含叶轮和导叶参数的一个实用化离心泵的多目标多变量优化数学模型。应用MATLAB遗传算法工具箱对该多目标多变量优化模型进行数值求解,得到了叶轮进出口直径、叶轮进出口宽度、叶轮叶片数、叶片出口角、导叶的基圆直径、喉部尺寸、导叶叶片数等关键设计参数的优化结果。最后采用面积比原理验证了该优化方法的实用性。     

基于CFD的汽车水泵优化设计

针对某增压直喷发动机冷却系统中水泵效率过低的问题,应用一维及三维CFD方法进行优化分析.首先根据发动机最大热负荷下冷却系统带走的热量,确定水泵的流量需求;其次采用一维CFD软件Flowmaster对该发动机冷却系统进行分析,确定水泵的扬程需求;然后根据流量及扬程需求,对水泵进行详细设计,其中叶轮设计方式为闭式离心叶轮,且叶片前缘向压力面倾斜,蜗壳设计方式为梯形截面的扩张通道;最后采用三维CFD软件Fluent对设计的叶轮及蜗壳进行计算,对设计方案进行优化.计算结果表明,CFD计算值与试验值吻合,误差小于5%;优化后水泵在设计工况下满足设计需求,总效率较原水泵提高了26%;抗气蚀性能增强,必须汽蚀余量NPSHR降低0.4m.流场分析表明,新水泵较原水泵压力分布更均匀;新水泵消除了原蜗壳内的低速旋涡,使能量损失减少,能量转换效率大幅提高.     

几何参数对水泵性能的影响

以降低叶轮进口冲击混合损失为目标,对进口边为径向和轴向两种情况下的叶轮进口条件进行了优化,得到了相应的进口直径计算公式。基于流体力学理论,充分利用水泵进出口速度分布等宏观物理参量描述流体在叶轮流道内的流动,借助速度三角形分析计算离心泵内的各种损失,揭示了几何参数对水泵性能的影响趋势,对水泵进行了综合性能预测。所提方法可预测设计工况和非设计工况下的水泵性能。     

基于遗传算法的离心泵叶轮参数化造型及优化设计

根据流面流动理论,通过坐标变换实现离心泵叶轮子午面及叶片结构的参数化造型.采用自适应策略等技术对遗传算法的遗传操作进行改进以提高算法搜索效率,并设计了多目标决策的适应值函数.采用CFD软件NUMECA对叶轮及压水室等主要过流部件内部流动进行三维定常计算,从而预测离心泵的水力性能.编写FORTRAN程序实现参数化、搜索算法及性能预测3部分的联合,开发出一种离心泵叶轮造型的自动优化方法.以离心泵的2个外特性参数效率和扬程作为优化目标,应用该方法对Dn1000型潜油泵及IS80-65-125型清水泵的叶轮结构进行多目标优化.优化后两泵的水力性能有了明显提高,在设计工况下扬程分别提高了0.21 m和1.70 m,效率分别提高了1.9%和2.3%.     

基于正交试验及CFD的多级离心泵叶轮优化设计

以某一典型悬臂式多级离心泵为研究对象,在原模型的基础上,对叶轮进行优化设计以提高水泵的水力性能.选择叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数、叶片出口角等4个参数为因素,每个因素取3个水平,基于正交试验和数值计算对叶轮进行优化,应用计算流体动力学软件CFX 14.5对多级离心泵内三维定常流动进行数值计算.结果表明:不同工况下,多级离心泵原模型的外特性试验与数值计算结果相吻合,证明了数值预测水泵性能的正确性和可靠性.按照L₉(3⁴)正交表,计算9组叶轮设计方案的额定工况时的扬程和效率,利用极差分析研究几何参数对水泵性能的影响,最终得到优化模型.通过优化模型与原模型的数值计算结果对比,证明其扬程、效率性能得到提高,并从内部流动分析提高的原因,即泵体内部无旋涡和回流,静压梯度大,流动损失小,使得泵水力性能得到提升.     

高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．     

基于CFD的多级中开式离心泵流场分析

为发展具有自主知识产权的高性能多级中开式离心泵,根据已有参数要求,对多级中开式离心泵的结构及水力模型进行了设计.水泵选用两侧吸入中间压出的结构形式,叶轮左右对称分布.首级叶轮为两侧单吸,末级选用双吸叶轮,压出室采用双蜗壳.利用Pro/E软件建立流道模型,借助Fluent软件,基于N—S方程和标准k～ε湍流模型,采用SIMPLE算法,对内部流场进行数值模拟,得到水泵各级叶轮的相对速度及静压分布.并在多工况下对多级中开式离心泵流场进行稳态数值预测,着重选取三种工况(标准工况、小流量工况及大流量工况)对多级泵各级叶轮的静压及相对速度进行对比分析.然后,在标准工况下对泵进行瞬态模拟,分析各级叶轮在不同时刻静压分布.数值模拟结果表明,泵水力模型设计合理,在标准工况下效率达到88％,性能出众.最后经实验验证表明,模拟结果与实验结果相符,水泵达到设计要求.     

柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构特性

为了研究柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构性能,采用CFD软件对循环水泵装置进行数值模拟和结构计算,将其与传统球形轮毂轴流泵的水力性能进行对比分析,并通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:轮毂型式的改变主要对叶轮的水力性能产生影响,对导叶和进出水流道的影响很小.在设计工况下,柱形循环水泵装置的扬程3.35 m,效率86.29%,最高效率86.69%;而球形轮毂轴流泵装置的扬程3.19 m,效率85.63%,最高效率85.74%.2种型式的泵装置扬程相差约0.16 m,效率相差约0.66%,性能差距较明显.柱形循环水泵的扬程在全工况下均大于球型轴流泵;循环水泵的效率曲线在设计流量和大流量下均显著高于轴流泵,在小流量下二者的效率曲线差别很小.循环水泵叶轮的最大应力出现在叶轮进口轮毂与叶轮连接区域,最大位移出现在叶片进口靠近轮缘的位置;随着流量的增大,叶片的最大应力和最大位移均逐渐减小.研究结果可以为轴流泵的叶轮设计和发展提供参考依据.     

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...     

轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法

为研究轴伸贯流泵压力脉动特性及其改善方法,应用计算流体动力学数值方法,采用在出水流道内增设导流板的方式进行贯流泵优化设计,并结合真机试验验证了数值计算方法的正确性.研究结果表明:在小流量工况下,原模型与优化模型泵的压力脉动时域特性和频域特性较额定工况下要差,但不同流量工况下叶轮进口处压力脉动特性均受到旋转叶轮显著影响;小流量工况下压力脉动变化强烈,原模型在叶轮出口及后导出口处的压力脉动低频成分明显,增设导流板可有效降低这2处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在额定工况下,贯流泵压力脉动周期性规律显著,导流板则能有效降低前导进口及叶轮进口处的压力脉动变化幅值及其低频成分;在不同流量工况下,出水流道内导流板消涡效果均十分显著.     

轴流泵前置导轮内部流场的大涡模拟

前置导轮自身具有优良的进口性能,能够改善主叶轮的进口条件,使用盒式滤波器将连续方程和动量方程经空间滤波得到大涡模型.采用CFD软件,对设计工况下带有前置导轮轴流泵进行三维不可压缩湍流数值模拟.分析了前置导轮内部流场的压力、速度和流线分布情况.结果表明,导轮叶片静压由进口到出口不断增大,提高了轴流泵抗汽蚀性能;叶片进口背面有一个低压区,此处易发生汽蚀;叶片表面的压力分布不仅沿叶片导程的方向逐渐增加,径向上也有增加,且没有发生较大的冲击和二次流现象;流线沿导轮型线良好地缠绕,没有出现回流、漩涡等现象.结果对轴流泵的设计、改进和优化提供有益的参考.     

基于CFD技术的多级潜水泵优化设计

结合多级潜水泵的特点,针对后倾式叶轮及空间导叶的多级潜水泵,以效率最大为优化目标进行优化设计.为了提高优化的精度,对后倾式叶轮和空间导叶进行参数化拟合处理,选择叶轮和导叶的进出口角作为控制参数并在原模型基础上增加±20°作为优化范围,在不断进行流场校核的基础上基于遗传算法寻找目标函数的最优值,得到控制参数变化范围内的最优叶轮模型.数值模拟结果表明:当叶轮根部进口角为35.53°,出口角为27.32°,导叶进口角为15.48°,出口角为61.75°时获得最优模型,优化后的水泵效率提高了4.12％,单级扬程提高了,1.449 m,拓宽了水泵的高效区,提高了水泵的运行稳定性,泵性能得到了优化.     

基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计

为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Q_d,1.0Q_d和1.2Q_d工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.     

分流叶片对离心泵内部非定常流动特性的影响

采用Ansys-CFX软件对5个具有不同分流叶片进口直径、不同分流叶片周向偏置度的叶轮方案进行全流场非定常数值模拟,分析了有、无分流叶片以及不同分流叶片设计对叶轮进口、蜗壳出口及叶轮-蜗壳交界面处压力脉动特性的影响规律.结果表明：分流叶片有利于降低叶轮进口压力且提高蜗壳出口压力,从而提高泵的扬程,带分流叶片设计方案的扬程比没有分流叶片设计方案提高2%～12%,但不同分流叶片设计方案的扬程绝对值差异不大;分流叶片有利于减小叶轮进、出口处的压力脉动;有利于减小叶轮-蜗壳交界面处的压力脉动,从而改善叶轮出口的＂射流-尾流＂结构;不同分流叶片设计对扬程的影响趋势接近,但对非定常流动特性的影响不同,当分流叶片进口直径为106 mm且向长叶片背面偏置5°时,扬程最高,压力脉动最小;带偏置分流叶片设计方案的扬程略高于带不偏置分流叶片设计方案.     

矿用潜水电泵性能正交试验

以煤矿排水用的BQS20—40—5．5型固液两相流潜水电泵为例,选择对泵性能影响较大的3个因素叶片进口冲角、叶片出口安放角和叶片数,对3个因素分别取3个水平,采用L9（3^4）正交表,得到9种试验方案．在计算流体动力学软件Fluent中采用标准k—ε湍流模型和SIMPLE算法,对正交试验中9种方案分别进行单相清水模拟和固液两相流模拟,并对模拟结果进行极差值计算,得到因素与效率指标的直方图．结果表明,叶片出口安放角和叶片数在清水模拟和两相流模拟的最优方案中取值不同,小固体颗粒在叶轮内集中分布于叶片工作面,并沿工作面向外运动,在叶轮出口处以很小的出口角流出,部分颗粒会在叶片出口处与叶片工作面相撞,加剧叶片磨损．因此在设计固液两相流泵叶轮时,叶片出口安放角不易过大．采用两相流理论对BQS20—40—5．5型泵进行优化设计,在设计工况下,泵效率高于国家标准的规定值,叶轮磨损有较大改善,提高了泵运行寿命．     

斜流泵叶轮的多参数组合优化

以比转速为392的斜流泵为研究模型,选取叶片出口安放角、叶片出口边宽度、后盖板倾角3个参数作为研究变量,采用CFD方法对斜流泵性能进行了多参数组合优化的数值计算,并根据性能试验数据验证了CFD数值方法的准确性。基于Box-Behnken试验建立3因素3水平共17组叶轮模型的试验表并对各方案设计工况下的内流进行了数值计算。采用二次响应面模型拟合效率的性能预测模型,给出目标函数,基于遗传算法对目标函数进行求解。结果表明,对效率影响最为显著的参数为叶片出口安放角,其次为叶片的后盖板倾角,且效率均随二因素的增大而减小,叶片出口边宽度对其影响最小;与原模型叶轮叶片参数相比,β2、b2大于原模型参数,T2保持不变,优化结果显示模型泵水力效率提高1.2%,扬程提高了0.8%。