基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化设计

传统离心泵多目标优化设计中,代理模型的预测精度随着Pareto前沿不断向前推进将逐渐降低,为改善离心泵多目标优化效果,提出一种基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化方法,将生成的Pareto前沿解中部分最优样本添加到RBF样本集中,重新训练RBF代理模型,依据动态代理模型预测子代各样本的目标函数值.以MH48-12.5型离心泵为研究对象,选取叶片的进口安放角、出口安放角及叶片包角为优化变量,采用拉丁超立方抽样(LHS)构建代理模型初始样本空间,并以扬程和效率为优化目标进行多目标优化分析.结果表明：动态RBF代理模型多目标优化方法得到的Pareto前沿要大大优于静态代理模型方法结果,静态代理模型方法得到的Pareto前沿各点均被动态模型方法得到的Pareto前沿所支配;动态代理模型对前沿解的预测精度均大于静态代理模型;动态代理模型方法得到扬程最大点比原始设计高2.86%,比静态模型高1.03%;动态代理模型方法得到水力效率最高点比原始设计效率高4.36%,比静态模型高1.32%.     

离心风机叶片三维反问题优化设计

基于三维反问题设计方法和CFD技术,结合试验设计方法、响应面方法和模拟退火优化算法,建立了离心风机叶片三维形状的优化设计方法。以叶轮效率为优化目标,以环量分布参数为优化设计变量,进行了离心风机叶片的优化设计,优化设计结果叶轮效率提高了2.2%。根据建立的优化设计变量和叶轮效率之间的响应面函数关系式,分析了不同环量分布参数及参数间交互效应对叶轮效率的影响,结果显示轮毂进口段环量分布对叶轮效率有较大影响;轮缘处的环量分布形式对叶轮效率影响更为显著。     

离心风机叶轮三维反问题气动优化设计

基于三维反问题设计方法和CFD技术,结合试验设计方法和模拟退火优化算法,以轴面流道形状参数和叶片形状参数为设计变量,以叶轮效率为优化目标,建立了离心风机叶轮三维反问题气动优化设计方法。叶片形状通过三维反问题设计方法由叶轮的环量分布参数表达。运用该方法进行了离心风机叶轮的优化设计,叶轮效率提高了3.3%。根据建立的优化设计变量和叶轮效率之间的响应面函数关系式,分析了不同轴面流道形状参数和环量分布参数及参数间交互效应对叶轮效率的影响。结果表明:相对于轮盘处轴面流道轮盖处型线和环量分布形式,轴面流道叶片进口边倾斜角对叶轮效率影响更为显著。     

基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化设计

为了拓宽混流泵高效区的运行范围,提高泵非设计工况下的水力性能,提出基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化方法.由设计工况单点水力设计得到泵初始设计,并通过叶轮、导叶的参数化方法建立初始计算模型.以叶轮和导叶子午面形状参数以及叶片安放角为优化参数,设计工况下的扬程为约束条件,小流量工况、设计工况、大流量工况下最小效率最大化为优化目标.通过RBF代理型方法建立性能指标与优化参数之间的近似模型,利用CORS优化算法对近似模型进行寻优.根据泵流动特性,提出对子午面形状和叶片形状分步优化策略,有效解决了泵整机模型设计参数多、计算量大的问题.优化结果表明:在0.8Q_d,1.0Q_d,1.2Q_d工况下,泵水力效率分别提高了2.2%, 0.8%和0.7%,扬程均满足约束条件并稍有提高,泵效率曲线较初始设计明显变宽;泵内流场速度分布更加均匀,优化效果明显.     

半喂入联合收获机双圆锥离心式清选风机设计与试验

半喂入联合收获机脱粒装置栅格凹板分离的谷粒混合物,虽经抖动板均布,进入清选筛后仍存在筛面两侧多中间少的问题,影响清选质量。为此提出了利用双圆锥离心风机均布筛面谷粒混合物的筛面双侧横向气流均布思想。双圆锥离心风机工作时,具有K字形叶片叶轮的大小端之间存在风压差Δp,它可以产生横向气流。根据喂入量所需的清选气流全压、风量和风速,设计了具有K形叶片叶轮的双圆锥离心风机;计算了理论压力差及其所产生的横向风速;进行了气流流场数值模拟比较分析。经二次旋转正交组合模拟试验和多目标优化表明：当叶轮大端直径x1为308.72mm,风机转速x2为1186.71r/min、叶片锥度x3为3.12°时,最大横向风速va为3.26m/s,清选损失率y1为1.08%,籽粒含杂率y2为0.68%,指标达到相关标准要求,优于现有机型水平（清选损失率为1.5%左右,籽粒含杂率大于0.8%）。     

贯流风机结构参数优化组合研究

利用计算流体力学对叶片扭曲角为30°的贯流风机三维内部流场进行了数值模拟,并研究了各个结构参数（蜗壳间隙、蜗舌间隙、叶片内圆周角、叶片外圆周角、叶片数、叶轮内外径之比和叶片扭曲角）对贯流风机性能（出风口体积流率）的影响。采用正交试验设计方法,确定了上述7个结构参数的最优组合,并得到在定叶轮外径和转速下,结构参数最优组合为：蜗壳间隙εc为1mm、蜗舌间隙εt为2mm、叶片内圆周角α为90°、叶片外圆周角β为20°、叶片数n为30、叶轮内外径之比γ为0.75、叶片扭曲角θ为90°,优化后贯流风机出风口体积流率比优化前提高了25.2％。在贯流风机性能参数检测台上,试验测试了在定叶轮外径和不同叶轮转速下,优化后与优化前贯流风机出风口平均风速大小。试验结果表明优化后出风口平均风速比优化前增大了4.6%,试验结果和理论计算结果基本吻合。     

农用风机叶轮的有限元分析

叶轮是离心通风机的关键部件。叶轮上的叶片根部经常发生破坏,确定叶轮的应力和应变分布规律是提高风机强度的基础。为此,借助于有限元分析软件ANSYS对某农用离心风机叶轮进行了静强度分析,得到了叶轮的应力和应变分布规律,验证了设计的合理性,并为进一步优化叶轮结构提供了参考依据。     

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.     

基于Kriging模型与NLPQL算法的高比转数离心泵参数化设计

针对目前采用传统设计方法无法有效解决高比转数离心泵效率低的问题,以型号为100-80-125的高比转数离心泵为研究对象,基于Kriging模型对其叶轮子午流道盖板控制点参数和叶片型线参数进行了全面的敏感性筛选,并采用NLPQL算法对高比转数离心泵进行参数优化,以期提高其运行效率.对优化后的模型进行了数值计算,并通过试验对比了优化前后模型泵的运行效率.研究结果表明:在额定流量工况下,优化后泵模型的实际效率提高了3.2%,扬程提高了2.3 m;优化后未出现不利于铸造和加工的几何形状,优化效果较为显著.研究结果可为提高高比转数离心泵的效率提供了一种行之有效的方法.     

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.     

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。     

联合收获机多风道清选装置气流场分布与风机参数优化

针对现有联合收获机单风道清选室难以满足脱粒排出物对气流速度和方向的要求这一问题,采用Solid Works软件设计了多风道清选室的流道模型,运用ICEM软件对其划分网格,再利用CFD技术对网格模型进行内部气流场分布的数值模拟,并以离心风机的转速、叶轮的叶片数和风机出风口角度3个设计参数作为实验因素,对清选装置内部气流场分布进行三因素二水平正交仿真实验。通过对多风道清选室全压云图和速度矢量图的对比分析,确定风机叶片数为4、风机叶轮转速为1080r/min、风机出风口角度为25°时,清选装置有利于籽粒从脱出物中有效分离和籽粒的清选。     

5XZ-10比重式种子分选机中离心风机流场的研究

利用空气动力学原理进行种子分选,空气流场的分布至关重要。针对农业机械装置中气流均匀性问题,本文主要以5XZ-10比重式分选机中离心风机为原型,利用Solidworks软件建立离心风机几何模型,运用Fluent软件对离心风机内部流场及出口流场进行数值模拟计算。通过仿真试验得到离心风机流场分布,对风机出口速度分布云图及矢量图结果进行分析,发现风机内部流场受到机械结构的干扰,气流在风机出口界面分布较不均匀,提出了离心风机流场优化的措施,包括双叶轮双入口单出口离心风机入口增设集流器、对固定盘与叶轮的连接进行密封、风机出口采用钢板网对出口气流进行均匀性改善。在距离风机出口上方130mm处安装钢板网,增设钢板网后风机出口气流均匀性指数由0.88提升至0.90,提升率为2.27%,解决了风机提供的气流流经5XZ-10比重式分选机筛面时的均匀性问题。     

叶片出口角对化工离心泵性能的影响

为了研究叶片出口角对化工离心泵性能的影响,以一台比转数为180的化工离心泵为研究对象,将叶片出口角从22°依次增大到27°,37°和47°. 应用ANSYS 14.5软件进行数值计算,结果表明:叶片出口角对外特性影响显著,适当增大叶片出口角可以提高扬程及效率,但也不宜过度增大到47°;随着叶片出口角的增大,叶轮进口的低压区域逐渐向叶轮出口方向扩大,压力分布趋于紊乱,且在工作面附近有逆压梯度存在,会聚集不稳定的低压流体;在额定工况下,叶片出口角小于37°时,压力脉动幅值较小,且高频脉动很小;次主频有随叶片出口角的增大向低频处转移的趋势;4个方案叶轮所受径向力都是在额定工况下达到最小,并在小流量下差异性最大;不同工况下叶片出口角为27°的叶轮所受径向力最小,这说明对非定常特性的影响,叶片出口角存在一个最优值.此外,针对叶片出口角为22°的模型进行了性能试验,对比发现数值计算的结果是可信的.     

修锉叶片出口对离心泵内流场及叶轮强度的影响

当离心泵扬程略低于实际需求时,可以通过修锉叶片出口提高其水力性能.文中对单级单吸离心泵叶轮进行修锉,对比修锉前后试验发现,扬程、效率分别提高了9.8%和6.7%.同时采用CFX软件对该泵在设计工况下的全流场进行了非定常数值计算,对比分析了修锉前后内流场的变化.基于ANSYS Workbench平台,对叶轮进行单向流固耦合计算,分析了修锉叶片出口对叶轮强度的影响.结果表明:叶片出口修锉后,出口尾迹区的绝对速度增大且相对速度减小,导致扬程上升;修锉后叶片出口边的逆压力梯度明显减小,阻止了边界层的分离,减少了摩擦和分离损失,从而提高了效率;叶轮最大等效应力与修锉前相比,其差别随着相位的不同而不同;各相位下,修锉后的叶轮最大总变形均大于修锉前.研究结果为改善离心泵内流场提供了一种可靠的方法.     

低比转数离心泵叶轮内流场重构与模态分析

针对传统离心泵水力性能优化设计的复杂性,提出采用本征正交分解-径向基函数（POD-RBF）混合代理模型方法对离心泵叶轮内流场进行重构分析。由三次Bezier曲线对低比转数离心泵二维叶片型线进行参数化控制,通过对叶片包角、进出口安放角等控制参数进行适量的扰动得到叶片型线的样本集。由叶片型线参数及叶轮CFD内流场数据构成样本的快照矢量集,根据几何相似及网格变形方法插值得到各相似节点的流场参数,依据本征正交分解法（POD）将快照集分解为一系列正交基的线性组合。由径向基函数（RBF）拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶轮内流场的重构。采用POD-RBF方法对MH48-12.5型低比转数离心泵叶轮内流场进行了重构,其压力预测均方根误差为0.84%,速度预测误差基本在0.5m/s以内,流场预测所需时间约为CFD计算的1/240。对样本集进行POD基模态分析,得到了各阶基模态流场特征及能量分布特性。     

叶轮注塑成型模拟及工艺参数优化

为了研究注塑成型过程熔体在型腔内的流动状态,以LKS-250P型花园潜水电泵的离心式塑料叶轮为研究对象,应用Pro/E和Moldflow软件完成了塑料零件的三维建模与造型和注塑成型数值仿真优化的研究工作.依据浇口位置分析和浇口设计原则,对叶轮建立了2种不同的浇注系统,分析了浇注系统对型腔压力、熔接线分布以及体积收缩率的影响,数值计算预测产品可能存在的缺陷,得到了最佳的浇口位置,并对注塑工艺参数进行了优化.研究结果表明,侧浇口与点浇口相比更适合叶轮的注塑成型;叶轮出口处的叶片部分均有短射现象发生,适当地提高熔体温度和模具温度,可以消除欠注等缺陷.通过将CAD/CAE技术应用到离心式塑料叶轮的模具设计和制造中,可为类似产品的设计和生产提供参考,具有一定的工程应用价值.