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。     

带导叶离心泵内部旋转失速研究进展

带导叶离心泵的旋转失速现象严重制约了产品的安全性和稳定性.旋转失速随其传播方向不同主要分为正向旋转失速和反向旋转失速.研究表明,带导叶离心泵在小流量工况下易在叶轮进口处发生正向旋转失速,在近设计流量工况时则易在导叶流道内发生反向旋转失速,这2种失速都对泵的性能曲线产生较为明显的影响.目前国内外对带导叶离心泵的旋转失速的主要研究方法是CFD分析、PIV技术及压力脉动试验相结合,通过对泵内部流动结构变化和压力波动的频域及时频域分析以获得旋转失速的主要特征,包括失速频率、失速核的个数及传播速度等.但是失速团是怎样发生、发展的等问题都没有得到很好地解答,针对这些问题,还需要进一步试验和理论研究.     

导叶安装位置对余热排出泵内流特性的影响

为研究导叶与蜗壳的最优相对安装位置,采用ANSYS CFX14.0对百万千瓦级核电用余热排出泵不同流量工况下定常流动进行全流道三维数值模拟,分析导叶与蜗壳5种不同相对位置对余热排出泵内部流动特性的影响规律,对比分析了泵内部压力、速度及湍动能分布特性.结果表明:在设计流量和大流量工况下,导叶与蜗壳不同相对位置对扬程的影响较小;在小流量工况下,导叶与蜗壳的相对位置对叶轮内部压力分布影响较小,对导叶和蜗壳内流特性影响较大;当导叶与蜗壳相对位置θ=79.56°时,余热排出泵高效区最宽,导叶流道内沿流线方向压力梯度变化比较均匀,蜗壳流道内压力、速度梯度变化最小,蜗壳出口压力梯度变化均匀.该研究为导叶的最优相对安装位置提供了一定的参考.     

径向导叶出口型式对洒水车泵压力脉动的影响

为了研究径向导叶出口型式对自吸式洒水车离心泵外特性、压力脉动及径向力的影响,基于Shear Stress Transport湍流模型和SIMPLE算法,对3种不同径向导叶出口型式的自吸式洒水车泵进行了非定常数值计算,监测径向导叶出口处的压力脉动和蜗壳的径向力,并对压力脉动进行时域分析,同时比较监测点的压力脉动幅值和蜗壳壁面受到的径向力大小.计算结果表明:增大径向导叶出口面积,可以改善径向导叶出口处流态,从而提高离心泵的效率;在同一工况下,增大径向导叶出口面积,可以降低径向导叶出口处压力脉动幅值,减轻径向导叶和第二级叶轮动静干涉的危害,并且减小蜗壳径向力;同一径向导叶出口型式洒水车离心泵模型,在流量较小时,在一个旋转周期内蜗壳壁面所受到的径向力平均值较大.     

导叶开度对水泵水轮机调相运行水环流动的影响

水泵水轮机运行在泵工况压水启动过程或压水调相工况时,需要在转轮腔体内注入空气以降低转轮的启动功率.为了避免转轮室内的压缩空气泄漏到蜗壳内,需要在无叶区内形成一定厚度的水环进行密封,以减少压水时的用气量.为了研究导叶开度对水泵水轮机的水环内部流动特性的影响规律,利用ANSYS CFX软件对3种不同的导叶开度(全关闭、1%最优导叶开度、2%最优导叶开度)水泵水轮机模型两相流进行非定常数值计算分析.研究结果表明:水环的厚度随导叶的关闭而增大,从而增大了转轮的阻力,加大了轴功率的消耗;无叶区内的压力脉动特征频率为叶频及其倍频,呈现出明显的动静干涉现象.研究结果可为水泵水轮机在泵工况压水启动过程或压水调相工况下的水环控制提供一定的依据.     

轴流泵失速工况下非定常流动特性研究

为了研究轴流泵在失速工况下的流动特性,对某原型立式轴流泵进行非定常数值计算,对比分析了设计工况以及失速工况下泵内部典型流动结构与压力脉动特性,揭示了失速工况下低频压力脉动的产生机理,利用真机压力脉动测试验证了数值计算方法的可靠性。研究表明:失速工况下叶片背面的前缘靠近轮缘一侧以及尾缘靠近轮毂一侧存在回流区;设计工况下叶轮进口处以及导叶体中段压力脉动主频为叶片通过频率,叶轮出口部位由于受到动静干涉作用,主频为导叶通过频率,导叶体出口部位由于远离旋转叶轮,叶频主导作用减弱;深度失速工况下泵内部压力脉动系数幅值显著增加,其中导叶体出口处G6点在深度失速工况下压力脉动系数幅值为设计工况的16倍;深度失速工况下叶轮出口处监测点P6、导叶体中段监测点G2以及导叶体出口监测点G6出现频率为0.83 Hz的低频压力脉动;失速工况下导叶体内涡核心区域与导叶流线图中存在的漩涡的发展、演化规律基本一致,两者的频率均为0.86 Hz,与低频压力脉动的频率(0.83 Hz)较为接近,因此可以证明低频压力脉动由导叶内漩涡诱导所致。     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

导叶数对多级离心泵反转式透平性能的影响

为研究导叶数对多级离心泵反转式液力透平性能的影响,以多级离心泵反转式液力透平首级为研究对象,设计了3种叶片数的导叶及相匹配的环形蜗壳。利用CFX软件进行定常及非定常数值计算,获得模型泵工况、透平工况的外特性曲线和内流场分布,以及导叶、蜗壳的内部压力脉动数据,并进行分析。结果表明:导叶数越少的模型内部流动越均匀。7片导叶数模型的回收功率及效率均为最大,但导叶数越少的情况下,导叶及蜗壳处的压力脉动幅值也越大。当导叶叶片数大于等于9片时,模型内部的压力脉动幅值基本保持不变。     

导叶安装角度对离心泵叶轮结构特性的影响

为提高带导叶蜗壳式离心泵的运行稳定性,研究了不同导叶安装角度对离心泵性能及叶轮结构力学响应的影响.以某带导叶蜗壳泵为研究对象,首先对其进行流场数值模拟,再通过静态和瞬态结构分析模块将水压力载荷导入叶轮结构,以实现单向流固耦合分析,研究不同导叶安装角度下叶轮变形与等效应力变化规律,最后通过模态分析研究叶轮结构的振动特性.结果表明：随着导叶安装角度减小,泵的高效区向小流量工况偏移,并且最高效率逐渐增大,最大提高2.1%;单向流固耦合分析得到的稳态结果与瞬态结果规律一致,其中叶轮最大变形量和最大等效应力值都随流量的增大而减小,在设计工况附近,都随导叶安装角度的减小而减小,最大差值为3.3%,且最大等效应力值变化的幅值较小;预应力对叶轮干模态固有频率的影响可忽略不计,与干模态对比,湿模态下的固有频率有较显著下降.     

时序效应对导叶式离心泵叶轮做功的影响

为了研究导叶时序安装位置对离心泵水力性能及运行稳定性的影响,采用SST k-ω湍流模型对在不同导叶安装时序位置时离心泵内部非稳态流场进行数值计算,分析导叶时序位置对叶轮做功的影响规律.结果表明:同一导叶时序位置时,因动静干涉影响,叶轮叶片做功呈现周期性波动;不同导叶时序位置时,各叶轮叶片做功呈现的波峰与波谷时刻不同,且出现明显的相位差,表明时序位置对叶轮叶片做功的影响因素主要为叶轮-导叶动静干涉、叶轮-蜗壳动静干涉及蜗壳不对称几何形状等;不同导叶时序位置时,叶轮流道做功均呈现周期性波动,并出现相位差,同时因叶轮-导叶动静干涉作用影响,叶轮出口处压力场分布不同,表明叶轮-导叶动静干涉是导叶时序效应对其叶轮流道做功影响的主要因素.研究结果可为导叶式离心泵设计提供一定理论依据.     

超大型离心泵内脉动压力特性研究

采用大涡模拟方法对某超大型明蜗壳立式离心泵进行全流道三维非定常数值分析,得到了运行状态下的泵内流场脉动压力特性.研究结果表明:泵内流态复杂,脉动压力的频率由泵的转动频率、叶轮叶片数和固定导叶数等多因素耦合决定;脉动压力幅值从蜗舌至蜗壳出口沿蜗壳周向先逐渐减少然后再逐渐增大,从叶轮至蜗壳沿泵径向快速减小,扩散段脉动压力变化不明显.     

带小叶片螺旋离心泵压力脉动特性分析

为了研究带小叶片的单叶片螺旋离心泵压力脉动特性,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带小叶片和单叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值计算。通过模拟分别获得了带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性,并对其进行对比分析。结果表明:各个工况下,带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率,压力波动的幅度大部分集中在低频区域;采用小叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳及蜗壳内部出口压力波动的幅度明显减小,脉动幅值也明显减小,且高频脉动有所减少。研究表明单叶片螺旋离心泵叶轮小叶片的添加可以有效改善泵内部压力脉动特性,且对降低蜗壳上的振动噪声有一定积极作用。     

基于大涡模拟的离心泵蜗壳内压力脉动特性分析

为了研究由离心泵内部非定常流动引起的蜗壳流道内的压力脉动这一现象及其特性,针对带有三长三短叶片叶轮的离心泵,采用大涡模拟方法计算包括吸水室、叶轮和蜗壳全流道的流场,获得蜗壳流道压力脉动分布特性,并对其进行了频域和时域分析.结果表明：由于叶片和蜗壳的动静相干作用,蜗壳内的压力脉动比较明显;在设计工况下,叶轮与蜗壳交界面周向上的隔舌处脉动最大;蜗壳内各监测点压力脉动的主频都是长叶片的通过频率,次主频为叶片的通过频率;蜗壳流道不同断面上的压力脉动基本一致,而扩压管内的压力脉动要比螺旋段的更有规律性;设计工况下,蜗壳内压力脉动没有明显的高频成分.     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

导叶与隔舌相对位置对离心泵非定常压力脉动影响的数值模拟

导叶叶片出口边与蜗壳隔舌的相对安放位置对单级离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.为了研究时序效应对离心泵运行时非定常压力脉动的影响,首先通过试验测得离心泵外特性曲线,然后采用雷诺时均法对离心泵内部流场进行数值模拟,并将模拟结果与试验进行对比.结果表明,模拟值与试验值契合度较高.模拟结果显示时序效应对离心泵非定常压力脉动影响较大.当安放角度ψ为25°和41°时,叶轮及扩压器内部压力脉动较小,蜗壳内部压力脉动较大;当安放角度ψ为5°和59°时,蜗壳内部压力脉动较大,叶轮及导叶内部压力脉动较小.研究结果对导叶安装有一定借鉴价值.     

多级离心泵内部非定常压力脉动的数值模拟

为了研究多级离心泵内部稳态和瞬态的流动特征,以不锈钢冲压多级离心泵为研究对象,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε湍流模型,在设计工况下对整机进行两级全流场非定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性.在叶轮某一流道的压力面和吸力面分别设置了4个监测点,在导叶的某一流道设置了6个监测点,分别分析了叶轮和流道式导叶内不同位置的压力脉动特性,并对其进行了频域分析.结果表明:叶轮与导叶间的动静干涉是产生静压波动的原因,静压波动均值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大;整体式冲压叶轮的形状影响正导叶内的压力脉动,一个周期内的压力波动间隔相似;叶轮和导叶间的动静干涉影响显著,首级泵体反导叶中部及出口位置脉动频率为3倍叶频,而在其他位置处均为1倍叶频;额定工况下导叶内部脉动主频均出现在低频处,表现为叶频压力脉动.     

隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响

为了研究隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对双吸离心泵在设计工况下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了5组隔舌间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.结果表明:随隔舌间隙增大,水泵扬程整体呈上升趋势,效率则整体呈下降趋势;蜗壳内压力脉动频率以叶片通过频率为主,主频和压力脉动幅值均随隔舌间隙的增大呈减小趋势,隔舌间隙增加4％时,隔舌位置1倍叶片通过频率处的脉动幅值降低9％左右;叶片区压力脉动频率以叶轮转频为主,最大压力脉动幅值均出现在2倍叶轮转频处,当隔舌间隙比设计隔舌间隙减小4％时,叶片正面中心位置2倍叶轮转频处压力脉动幅值增加约38％.     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟

为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．