耦合几何参数与载荷参数的混流泵优化

为进一步提升混流泵优化效果,并探究几何参数和载荷参数与导叶式混流泵能量特性间的响应关系,该研究结合正交试验与数值模拟,对比转速为511的导叶式混流泵叶轮开展参数优化研究。在试验验证数值模拟准确性的基础上,采用反问题设计方法,以0.85Qdes和1.15Qdes（Qdes为设计流量）处泵段水力效率为优化目标,以1.0Qdes处泵段扬程为约束条件,耦合轴面投影几何参数与流线方向载荷参数进行混流泵参数设计。研究结果表明：几何参数Lh和LS（前缘与轮毂及轮缘交点的X轴坐标）与载荷参数Kh、LEs、NCs和Ks（轮毂处中间直线斜率、轮缘处前缘载荷、轮缘处第一加载点横坐标和轮缘处中间直线段斜率）均对混流泵能量特性具有较大影响,在优化设计中均应被重点考虑;与原始模型相比,优化模型在叶轮出口附近具有更加合理的流场分布,可有效减少叶轮下游部件水力损失,其在0.85Qdes和1.15Qdes处的泵段效率分别提升了0.90和2.25个百分点。研究方法可为涡轮机械的参数化优化节约计算资源、最大化优化效果提供参考。     

速度矩分布规律的参数化描述及对混流泵性能的影响

为提升设计水平、改进混流泵叶片速度矩分布规律的给定,该文通过理论分析,对速度矩分布规律进行参数化表述,选取无量纲速度矩沿流线分布曲线的相对系数a0与速度矩分布曲线在叶片出口处的导数值P作为速度矩分布参数。基于混流泵叶轮正反问题迭代法设计平台,给定不同速度矩分布参数组合设计了一系列混流泵叶轮。基于SIMPLEC算法,通过求解N-S方程和RNGk-ε湍流模型方程,对混流泵叶轮内部三维湍流流场进行了模拟,获得了相对速度与压力分布,并预估了水力效率。研究表明,速度矩分布参数直接影响着叶片包角与出口边位置,进而影响到叶轮内部相对速度与压力的分布以及流动的稳定性。合理选择速度矩分布参数,有利于增强叶片对于流体运动的控制能力,改善叶轮内部压力分布,使叶轮具有更为优越的水力特性。该文提出的速度矩分布规律参数化方法,为混流泵叶轮设计过程中速度矩分布规律的给定提供了有益的借鉴。     

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。     

基于Sufacer和Pro/E的潜水搅拌器叶轮反求设计研究

为了进行某型搅拌器叶轮的抗磨损研究和叶轮备件的国产化,通过三坐标测量机获得叶轮的分散点云,采用Surfacer软件进行点云的处理,获得总的点云,创建叶片曲面,再采用Pro/E软件生成叶轮的三维实体造型。通过这种反求工程方法获得的叶轮实体造型与原叶轮有较高精度的一致,已成功应用于叶轮模具的制造、叶轮的抗磨损研究和备件的国产化工作。     

轴流泵叶轮导水锥型式对叶轮水力性能的影响

为探究轴流泵叶轮导水锥的设计方法,揭示导水锥流场的内部流动特性以及不同型式导水锥流场与叶轮流场之间的相互影响关系,并对导水锥头部圆整问题进行初步探索,该文基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型,采用6种型式的导水锥,利用Fluent软件对各型导水锥流场及其叶轮流场进行三维流场计算。结果表明:出口流场均匀性最好的维多辛斯基式导水锥的叶轮水力效率最高,而出口流场均匀性最差的直锥式导水锥叶轮水利效率最低。叶轮对水流的预旋作用对导水锥流道出口断面轴向速度分布均匀度影响较大,而对速度加权平均偏流角和水力损失的影响很小。同时,水流预旋对导水锥出口流场的轴向速度影响较大,切向速度影响较小。导水锥流场液流越近叶轮,其受叶轮旋转的影响越大。适当增加导水锥的长度可提高叶轮水力效率,但导水锥长度过长会导致水力损失增加,建议导水锥长度最佳取值范围为叶轮外径的0.5~0.7倍。导水锥头部的圆整,可有效消除因尖锐头部造成的逆压梯度,从而减少流场的不稳定性。随导水锥头部圆整长度的增加,导水锥的水力损失降低,叶轮水力效率升高。建议导水锥头部圆整位置距导水锥头部应为导水锥长度的1/8~1/7倍。研究可为高效轴流泵水力模型设计提供参考。     

参数优化方法对微生物模型预测土壤有机碳时空演变的影响

准确把握土壤有机碳（SOC）的时空演变规律对于土壤资源的高效持续利用、发挥土壤生态系统服务功能，以及应对气候变化等均具有重要意义。以江苏省南部为研究区，以明确表达微生物分解作用的微生物模型MIMICS为对象，以模型参数敏感性分析为切入点，分析了不同参数优化方法对MIMICS模型预测苏南农田表层（0 ~ 20 cm）SOC时空演变动态的影响。结果表明，批处理和点对点两种参数优化方法下，MIMICS模型均能较好地模拟1980─2015年苏南农田表层SOC密度先增加后减少的总体趋势；采用考虑模型参数空间异质性的点对点参数优化方法时，MIMICS模型预测精度最高，其预测误差（RMSE）较采用默认参数值时分别降低22.2%（2000年独立验证）和14.7%（2015年独立验证），但2015年SOC密度预测精度依然偏低（R2 = 0.13，RMSE = 1.22 kg?m–2）。上述结果表明进一步改进微生物模型的结构、提高模型输入数据的精度及分辨率，将是微生物模型建模区域尺度SOC时空动态所面临的重要挑战。     

基于挤压模拟试验的苜蓿草颗粒成型工艺参数优化

为了确定最佳的苜蓿草颗粒产品制粒成型工艺,以苜蓿草粉为制粒物料,通过环模制粒过程的模拟试验,利用二次回归正交旋转试验设计,探讨了制粒密度与挤出力、物料含水率、草粉粒度的关系,建立了各因素与制粒密度之间的数学模型。试验数据分析显示：建立的回归方程显著;3个因子对制粒密度影响大小顺序为挤出力、含水率、草粉粒度;通过方程模拟选优得出模拟试验条件下的最优参数组合为：挤出力5.47?kN、含水率16.96%、草粉粒度6.34?mm,即制粒密度为最大值1.241?g/cm3。该研究可为提高草颗粒及其它颗粒物料产品的质量提供指导。     

基于蒸腾模型决策的灌溉量对甜瓜产量及品质的影响

为研究蒸腾模型决策下不同灌溉量对甜瓜干物质、产量及品质的影响,以甜瓜品种‘绿翠宝’为试材,利用2015年温室环境数据和叶面积指数,建立甜瓜日蒸腾量模型。2016年依据蒸腾模型以不同灌溉量(80%ET、100%ET、120%ET、140%ET,ET为日蒸腾量)对模型进行验证,并对甜瓜的干物质、产量和品质做综合评价。结果表明,各因子对甜瓜蒸腾作用大小表现为叶面积指数日平均气温日平均空气相对湿度日太阳辐射强度,所建立的甜瓜日蒸腾量模型拟合较好,回归标准误差41.83 g,相对误差11.4%。蒸腾模型决策的不同灌溉量对甜瓜干物质影响显著,从伸蔓期到结果期,各处理植株的干物质总量以140%ET和120%ET最大,80%ET最小。结果期各处理果实的干物质积累表现为120%ET最大,80%ET最小。植株各器官干物质分配在伸蔓期呈现出叶茎根,开花坐果期呈现出叶果茎根,结果期呈现出果叶茎根。蒸腾模型决策的灌溉量过高或过低均使产量下降,120%ET处理产量最高为1.23 kg/株。水分利用效率随单株灌溉量的升高而降低。果实综合品质的隶属函数值排序为120%ET(4.69)100%ET(3.45)80%ET(3.34)140%ET(2.27)。综合考虑甜瓜干物质积累与分配、产量及品质因素,蒸腾模型决策的灌溉量120%ET处理效果最好,可作为最优的灌溉水平。研究可为温室甜瓜高效生产和智能化灌溉提供科学依据和决策参考。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

基于Hilbert-Huang变换的混流泵流动诱导振动试验

混流泵水力诱导的机组振动是混流泵运行失稳的重要因素之一,为了研究混流泵水力激振诱导的机组振动情况,基于本特利408数据采集系统,测量获得了空载和负载工况下混流泵泵体和泵体基座不同位置处的振动信号,通过希尔伯特-黄变换对原始振动信号进行经验筛分分解,获得了不同模函数分量的频谱分布。研究结果表明,相比空载运行,混流泵负载工况运行时水力诱导的机组振动明显加剧,但在不同方向上,水力激振引起的振动各不相同。X方向上2个工况下的振动频谱分布基本相似,而在Y方向、Z方向和混流泵底座上,负载工况下波形的频带分布变窄,能量分布较为集中,且Z方向的原始振幅要明显大于Y方向,约为Y方向原始振幅的2倍。混流泵负载工况运行时,低频振动占据主要振动能量分布,使得不同模函数分量的主频向低频方向移动,水力诱导混流泵机组的振动以中低频振动为主。该研究可为有效降低或防止混流泵水力诱导的机组振动恶化提供参考。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

启动方式对混流泵噪声特性的影响

泵段处噪声特性的演变规律对混流泵启动过程中的稳定性监测有重要意义。为探究不同启动方式下混流泵噪声的变化规律及其影响因素,该研究采用声振测试系统采集了混流泵在线性和非线性启动(指数函数启动)方式下的噪声、主轴振动和压力脉动数据。然后,基于声学信号处理方法对采集到的噪声信号进行了分析,并通过相干性分析研究了启动过程中叶轮出口压力脉动、主轴振动与泵段处噪声的关系。结果表明：不同启动方式下的高幅值声压均出现在启动后期,且凹指数函数启动方式下高幅值噪声区域出现的时间最短、冲击噪声相对最小,表明该启动方式有利于避免启动过程中剧烈的机械碰撞和冲击。噪声的共振峰分析结果表明,凹指数函数启动方式导致混流泵启动失稳的概率相对最小;不同启动方式下的噪声A计权声压级最高值均出现在中心频率250 Hz处,线性启动方式的总有效声压级最小,但与线性启动相比,凹指数函数启动方式能降低启动过程中的中频段声压级和部分低频段声压级;叶轮出口压力脉动是影响混流泵启动过程中噪声主声压级的主要因素之一,主轴振动只影响极低频段处的噪声。研究成果对混流泵启动稳定性的改善有重要的参考价值。     

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。