基于CFD的射流自吸泵性能优化与试验

为提高射流自吸泵效率,该文选择关键结构参数射流器喉管直径、射流器出口直径、叶轮出口宽度和叶片数作为目标因素,设计四因素三水平正交试验,共9组试验。运用数值分析软件提供的湍流模型对各方案进行数值计算。通过极差分析确定性能最优参数组合,其中对效率影响最主要因素为喉管直径。以喉管直径为优化目标设计单一变量试验,分别在小流量点、额定流量点及大流量点进行数值计算,通过数据拟合得到正交试验最优参数组合在不同流量下以喉管直径为自变量的扬程、效率方程式,运用极值运算及加权平均得到最优喉管直径。试验结果表明:相比原型泵,优化模型在额定流量点效率提高约5%。该研究为同类泵的优化提供了一种较可靠的试验设计及数据处理方法。     

潜水贯流泵装置过流部件水力性能分析与优化

为研究潜水贯流泵装置过流部件的水力性能,该文采用CFD方法对潜水贯流泵装置进行数值计算,分析了不同过流部件形式对泵装置内水力性能的影响,并对计算结果进行试验验证。结果表明:潜水贯流泵装置灯泡体支撑片的数量会影响导叶与支撑片之间的水流流态,支撑片的数量应与导叶片数一致。潜水贯流泵装置宜采用椭球体的灯泡体尾部形式,能避免回流、脱流等不良流态的产生。采用流线形进线孔,并且将进线孔与支撑片结合在一起,能改善出水灯泡体的流态,提高装置效率。在闸门槽间的进水流道过渡形式宜采用渐缩方管式。优化后泵装置在最优工况点的效率提高2.5%,达到78.0%。在最高效率点,数值计算预测扬程和流量的不确定度均小于1%,试验与数值计算结果吻合较好。该研究可为潜水贯流泵装置在实际工程中推广应用提供参考。     

往复泵吸入特性的流体力学数值模拟

为了研究往复泵在吸入过程中流体的动力特性及相关参数对吸入特性的影响,对往复泵的吸入过程进行计算流体动力学的数值模拟。在吸入过程中,根据阿道尔夫泵阀运动微分方程和活塞运动引起的泵腔内流场变化确定泵阀的运动,同时运用动网格生成技术更新了不同曲柄转角下的计算模型。通过数值计算,得到了往复泵的瞬时吸入流量、柱塞端面上的压力分布,并研究了冲次、弹簧刚度对吸入阀迟滞关闭现象的影响。结果表明,流体的压缩性和惯性导致瞬时流量小于理论值,吸液量是理论值的0.91倍,往复泵的冲次从100/min增大到330/min时,吸入阀     

基于模糊控制的流量控制阀仿真

采用小型针阀、直流电动机及减速器设计了机电流量控制阀,解决了变量喷雾过程中药液微小流量的控制问题。构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型,并为之设计了模糊控制算法。对该流量控制阀进行了模糊控制和PID控制的MATLAB仿真,结果表明：模糊控制在响应速度和超调量方面优于PID控制,稳态误差两者均在±3.0%以内。     

连续式淡水鱼弹簧刷去鳞机参数优化与试验

为了提高连续式淡水鱼弹簧刷去鳞机的去鳞效果,该文以鲢鱼为试验对象,通过自制去鳞机研究了去鳞机去鳞辊上的弹簧缠绕方式及整机运行参数对去鳞效果的影响,通过正交试验确定了各参数之间的最优组合,即去鳞辊上缠绕的不锈钢弹簧采用1.2mm×16mm、弹簧缠绕圈数2.5圈、弹簧头尾固定间距40mm,去鳞辊转速1390r/min、压辊转速100r/min、输送辊转速800r/min,此时鲢鱼去鳞率均值为68.7%。该研究可为连续式淡水鱼弹簧刷去鳞机的改进提供参考。     

机械-液压双元动力发动机锥形配流阀的优化

机械-液压双元动力输出发动机（MHPE）将传统的内燃机和柱塞泵融为一体,可同时或单独输出机械、液压2种动力。MHPE采用锥形阀配流系统,其容积效率高低直接影响MHPE的整机性能。该文以容积效率为目标函数,以锥形阀的工作条件和结构尺寸为约束条件,以MHPE锥形阀的结构参数为优化变量,建立了优化模型,并基于iSIGHT软件进行优化设计。优化结果表明,优化后系统的容积效率提高5.71%,改善程度较大。     

悬架杠杆比对油气弹簧阀系设计参数的影响

为了把握车辆悬架杠杆比对阀系设计参数的影响和变化规律,以便加快具有不同悬架杠杆比的油气弹簧阀系参数设计,文中利用油气弹簧节流阀片厚度和节流缝隙与悬架杠杆比之间的关系式,建立了杠杆比阀系参数影响系数。对杠杆比对阀片设计厚度和节流缝隙大小的影响进行了分析,并建立了阀系参数影响系数推算设计方法。通过实例,利用解析设计和影响系数推算设计方法,分别对阀系参数进行了设计,并对两种方法的设计值进行了比较,对设计油气弹簧进行了特性试验。参数设计和特性试验结果表明：在实际情况下,油气弹簧阀片设计厚度和节流缝隙与悬架杠杆比之间可线性化,杠杆比影响系数推算设计方法是准确可靠的,可加快油气弹簧开发设计速度。     

基于CFD-DEM耦合法的灭火机风筒优化与试验

为了进一步研究风力灭火机的灭火性能,并防止灭完火的区域死灰复燃,在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上,而后两者分别主要由灭火剂颗粒的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用6MF-30型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠性,采用CFD-DEM耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒长度作为因素,按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验,进行显著性检验和方差分析,建立了回归方程。结果表明:3个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性,显著水平分别为P0.0001和P0.001,而这3个参考因素与出口风速无明显相关性;3个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳参数组寻优,发现喷射式风力灭火机收缩角取20°,灭火剂添加孔道距进风口140 mm,风筒长度700 mm时喷射式灭火机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示,颗粒喷出速度提高至41.24 m/s,同时风筒内颗粒数降低至209个。实体样机验证试验表明:采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程2.15 m,缩短灭火时间1.7 s且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。     

螺旋凸轮泵转子腔流量特性数值分析与验证

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了螺旋角对转子腔内部瞬态流动结构的影响机制,并通过理论计算及试验验证数值预测分对比析,其相对误差在2.5%~5.7%,具有较高的准确性。研究表明:螺旋角对凸轮泵流量特性及泵腔内部流动有显著影响,相比直叶转子,螺旋转子出口的平均流量和流量脉动幅值均明显降低,从而有效抑制转子腔内二次流、旋涡结构与转子间隙区速度突变;螺旋角为45°~60°时,泵出口平均流量达峰值,泵出口流量脉动幅值最低,转子腔内部流动结构较好,结果表明凸轮泵转子腔最优螺旋角取值为45°~60°。该研究可为凸轮泵转子优化设计提供参考。     

变量喷雾流量阀的变论域自适应模糊PID控制

为解决变量喷雾过程中实时混药时农药微小流量的控制问题,采用小型针阀、直流电动机及减速器设计了机电流量控制阀。构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型,并为之设计了变论域自适应模糊PID控制算法。对该流量控制阀进行了变论域自适应模糊PID控制和PID控制的MATLAB仿真,比较结果表明：PID控制的响应时间为3.5 s,最大超调量约为39.0%,变论域自适应模糊PID的响应时间为0.93 s,超调量最大不超过2.9%。系统稳定性,准确性和快速性等指标完全满足农业技术要求。     

基于数值模拟的微型溴化锂屏蔽泵的性能分析

针对现有单级溴化锂屏蔽泵存在效率低、能耗高的缺点,研究开发了两级叶轮微型溴化锂屏蔽泵。设计两级微型溴化锂屏蔽泵机泵一体结构以及两级屏蔽泵的水力部件,包括叶轮设计、径向导叶和螺旋形涡室组合设计等。利用CFD软件FLUENT,对两级屏蔽泵进行流场模拟,得到了内部流场的分布情况。由此分别以溴化锂和清水为介质进行了性能预测,与设计值进行比对,结果符合设计要求。经样机试验验证,在相同流量下,两级微型溴化锂屏蔽泵比现有单级微型溴化锂屏蔽泵扬程高约1 m,机组效率高约1.6%。设计的两级屏蔽泵的扬程和机组效率模拟值与试验值比较接近,初步验证了模拟可信,设计方法可行。     

负载敏感变量泵结构建模与性能分析

作为现代农业装备液压系统关键零部件,负载敏感变量泵为农业绿色生产提供了保障。为深入研究负载敏感变量泵的工作性能,该文重点分析了其内部机械结构和工作机理,充分考虑了各运动部件的有效行程范围,应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的负载敏感变量泵非线性数学模型,基于Matlab/Simulink软件,采用四阶龙格-库塔算法对其稳态和动态性能进行了仿真分析,并搭建闭心式负载敏感液压系统试验平台,完成其性能试验,通过对比分析负载敏感变量泵动态特性试验与仿真结果,得到负载补偿压力误差约为0.1 MPa,验证了负载敏感变量泵非线性数学模型的正确性。试验结果表明:负载敏感变量泵输出流量和压力可实时与负载相适应,补偿压力约为1.5 MPa,可有效提高液压系统效率,减少系统发热,满足现代农业装备作业机组的田间作业需求。     

基于径向基神经网络与粒子群算法的双叶片泵多目标优化

针对双叶片泵存在水力性能比相同比转速的多叶片离心泵低的缺陷,该文以一台型号为80QW50-15-4的双叶片污水泵作为研究对象,将其设计流量点的扬程和效率定为优化目标,运用ANSYS CFX(computational fluid dynamics x)进行数值模拟获得性能数据,采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络建立结构参数与扬程、效率性能间的预测模型,并将其用作粒子群算法的适应值评价模型,在样本空间内进行最优值求解,获得扬程和效率的Pareto解。选取扬程最优个体和效率最优个体进行数值模拟,研究其在输运不同介质时的性能与内流场差异,并与初始模型的数值模拟数据相比较。经试验验证,清水介质中设计流量点扬程最优个体的扬程较初始个体增加0.96 m,增幅达到5.5%;效率最优个体的效率较初始个体提升了10.11个百分点。该优化方法改善了叶轮水力特性,使双叶片泵性能得到提高。     

基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

为了解决南水北调淮安二站改造工程中,水泵水力模型TJ05-ZL-02与现场土建结构存在的轮毂比不对应的问题,该文基于CFD数值计算针对淮安二站主水泵进行改型分析研究。将轮毂比为0.4的TJ05-ZL-02水力模型改成轮毂比为0.4667的新模型,确保改型之后的水泵模型跟TJ05-ZL-02水力模型性能相似,能够满足淮安二站调水、排涝的工程要求,同时应适当减小流量系数,适当降低高效区扬程。在改型设计时,研究主要设计参数对轴流泵性能的影响,控制叶片性能变化的方向,采用CFD数值计算的方法,对设计参数改变后的轴流泵水力性能进行验证,确定最终的改型设计方案。通过数值模拟对TJ05-ZL-02和改型的最终设计方案进行泵装置性能研究。最后将改型方案的模型泵装置试验结果与数值模拟结果对比,近一步对改型方案的可行性进行论证分析。研究结果表明:改型后轴流泵性能高效区扬程和流量,完全能够满足淮安二站运行要求;改型后轴流泵装置效率超过了70%,而原先淮安二站运行效率仅有54%,效率提高近20%,提高了调水性能,节约了运行成本;同时研究成果对今后的轴流泵改型设计具有重要的指导意义。     

后掠式叶片轴流泵固液两相流数值模拟与优化

针对轴流叶轮在污水固液两相流介质中的磨损问题,该文设计了不同后掠式叶轮结构方案进行优化设计,分别对后掠角度为40°、65°、90°的后掠叶片和原型叶片进行固液两相流数值模拟和试验对比,并分析了不同后掠方案叶轮内固体颗粒的分布特性。数值模拟结果表明,随着后掠角度的增加,叶片压力面固相体积分数会逐渐减少,而叶片吸力面上固相体积分数会先增加后减小,叶轮内固相的径向流动越明显并且叶片后掠角度越大,固相就越难与叶片压力面接触,而越易与叶片吸力面接触;颗粒直径越大,后掠叶片压力面上固相体积分数越大,而叶片吸力面进口边靠近轮毂处的固相体积分数增加;颗粒浓度越大,后掠叶片压力面上固相体积分数减少,叶片吸力面上固相体积分数增加。当优化后的后掠叶片角为90°时,该叶片结构优化了固体颗粒的分布,可大幅降低叶片轮缘处的磨损,提高了轴流叶轮在污水介质中的使用寿命和运行可靠性。     

基于数值模拟的深井离心泵导叶性能分析

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,分别设计了三维曲面导叶与圆柱形导叶,基于FLUENT 6.2软件,采用标准k－e模型、SIMPLEC算法对分别装配两种导叶的两级深井泵全流场模型进行了数值模拟,获得了导叶内的压力分布和泵的外特性参数。对两种导叶内部的静压变化进行了分析,比较了导叶的压力转换能力。结果显示,三维曲面导叶流道内流动损失较小,具有较高的压力转换能力,装配了三维曲面导叶的泵性能较优。将数值模拟结果与试验结果对比,分析了两者的差异,进而证实了数值模拟结果的准确性,为优化导叶水力性能提供了参考。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

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。