高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

离心泵径向导叶正叶片参数的优化设计

针对工业生产中常见的节段式多级泵径向导叶和叶轮匹配程度较低的问题,该文借鉴面积比原理,利用数学关系给出了径向导叶正叶片参数确定的新方法。基于FLUENT软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对径向导叶式离心泵单级叶轮与导叶进行了数值验证。结果表明:导叶喉部面积对离心泵性能影响重大,Anderson的面积比系数对导叶式离心泵偏大;正导叶参数的优化设计能提高离心泵的效率,该文设计的最优模型相比传统方法设计的模型,设计工况下扬程提高2.3m,效率提高1.6%,优化设计有效。该研究可为节段式多级泵的水力优化提供参考。     

农用无过载低比转速离心泵的研究

针对农用泵(运行工况多变且出口无流量调节阀)的特点和低比转速离心泵的轴功率在大流量区运行易过载的特性,提出了无过载离心泵的概念。介绍了国内外研究无过载离心泵的历史与现状;总结了有关理论推导和试验研究结果;讨论了其运行特点及水力设计原则;并分析了目前存在的问题与可能的解决途径。     

农用无过载离心泵水力性能与内部流动计算

试验研究证明水力效率偏低(比普通泵约低2％～8％)是无过载离心泵效率较低的主要原因。为了提高水力性能,对无过载离心叶轮内部流动进行了数值模拟。采用IKhalil等人的计算方法,在子午面上用势流计算确定流面位置,回转面的计算则采用了完全粘性的湍流场计算方法。结果表明,无过载离心叶轮内部流动既没有出现分离,也没有明显的尾迹区存在。因此,水力效率偏低系由叶片包角过大、流道狭长、沿程水力摩擦损失过大所致。     

叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响

为了阐明叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响,该文从速度三角形理论出发,引入进口速度加权平均角度(θ),推导了单级模型泵无压直管叶轮进口条件的最大轴功率,以及相对应的流量的计算公式。在此基础上,研究了串并联离心泵分别应用无压半螺旋和有压半螺旋2种不同叶轮进口条件对无过载性能的影响。结合(computational fluid dynamics,CFD)技术,对各模型泵外特性曲线进行了数值模拟,并搭建试验台分别对单级模型泵和串并联离心泵进行试验。分析表明:计算结果与试验结果能够较好地吻合,在设计工况下,扬程误差和功率误差均在5%以内,从而验证了数值模拟结果的正确性。结果证明:不同叶轮进口条件下,得到的轴向速度分布均匀度变化不大,均匀度较好;而流动偏移角(γ)值有较大的差异,γ值越大越有利于无过载性能的实现。该研究结果为串并联离心泵的无过载研究和开发提供了一定的依据。     

基于CFD的离心泵优化设计与试验

为了提高离心泵的效率,以叶轮效率最大为优化目标进行优化设计。对叶轮进行参数化设计,以实现叶轮几何形状的自动控制以及为优化计算提供优化变量。选择控制叶片积叠线周向定位的2个参数作为优化变量,以?3°～3°作为优化变量的约束范围。利用人工神经网络的学习功能,建立了目标函数与优化变量之间的映射关系。采用遗传算法寻找目标函数的最优值,得到优化变量约束范围内的最优叶轮模型。数值计算结果表明：在设计流量点1 200 m3/h时,优化后叶轮的效率较优化前提高了4.02个百分点,离心泵的效率提高了4.41个百分点,扬程提升了2.63 m。针对非设计工况点性能改善不明显这一问题,对原始蜗壳进行重新设计并与优化叶轮组合进行数值计算。在设计工况点效率提高了1.59%,在1.2倍设计工况点处效率提升了9.93%,在1.4倍设计工况点处效率提升了8.83%;较原始叶轮与原始蜗壳的组合,在设计工况点泵的效率提高了6%,在1.2倍设计工况点点效率提高了9.2%,在1.4倍设计工况点点效率提高了8.59%。优化拓宽了水泵运行的高效区,增强了泵的运行稳定性,离心泵的性能得到了优化,叶轮与蜗壳之间的匹配更合理。该研究对离心泵的优化设计提供了参考。     

螺旋离心泵叶轮结构参数的定义与确定

以两种不同的方法对螺旋离心泵叶轮的结构参数进行了定义，在此基础上提出这些结构参数的确定方法，并提供了有关试验结果。     

高扬程无过载潜水排污泵的优化设计与试验

为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一,该文对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法,经优化得出3种方案。应用Pro/E软件建模,结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测,并与外特性试验结果对比。研究结果表明：采取增大叶片包角、减小出口角,控制流道扩散程度和增大蜗壳直径等方法可以得到满足高效率、高扬程、无过载要求的设计方案。其中,突破传统离心泵设计方法的新型通道式叶轮高效区范围更宽,扬程曲线陡降,无过载性能较好,可为高扬程无过载潜水排污泵的进一步优化设计提供参考依据。     

旋流自吸泵泵体结构参数的优化设计

采用CFD软件通过大涡模拟,基于正交设计法对旋流自吸泵泵体进行了优化设计,研究了泵体各几何参数对旋流自吸泵性能的影响。设计了一个4因素3水平的正交方案,对数值计算的数据作了极差分析,得到了各几何参数对设计点扬程、效率,最优点的扬程、效率及最大自吸高度5个性能指标的影响的主次顺序。对于数据处理结果,通过综合平衡法分析得出了最优的参数组合。并对得到的最优参数组合进行性能试验,验证了理论计算的可靠性。计算及分析结果对旋流自吸泵性能优化设计具有一定的参考价值。     

离心泵叶轮轴面流道的研究

从理论上分析了轴面过水断面面积的变化规律,建立了计算过水断面面积的数学模型,探讨了盖板倾角与比转数的关系,提出了确定这一部分形状的方法     

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流,这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性,数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响,分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内;对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸,入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%,扬程降低1.2 m;阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率;尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°,这两个叶片的压力面脱流加剧,产生逐渐向下游耗散的失速团,叶片承受2倍转频的非稳态激振力;尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右,最大径向力达到均匀入流的7倍左右,径向力矢量发生偏移,离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。     

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。     

离心泵射流自吸装置的研究

介绍一种新型离心泵射流自吸装置的工作原理及结构，通过在普通离心泵的进口处增设一个带“文氏管”的自循环射流器，使该射流器与压水室第六断面的回流孔贯通形成自循环，当泵运转时，不仅可以完成自吸过程，而且可以将自循环射流器上的阀关闭，射流器同时停止工作，因此：泵的效率提高了3%以上。泵的性能试验分析表明，该泵不仅可以实现自吸，性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，工况佳，而且泵的各项技术指标均满足设计要求。     

深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析

为了分析深井离心泵内部的非定常压力脉动特性,该文基于标准k-ε湍流模型和滑移网格模型,应用SIMPLEC算法,在CFD软件Fluent中对深井离心泵内部全流场进行三维非定常数值计算,得到了额定工况下流道内不同位置的压力脉动特性,并通过快速傅里叶变换进行了频域分析。结果表明,网格数对数值计算结果影响较大;在叶轮出口与导叶进口交界处,叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因;压力脉动周期与叶轮叶片数相关,导叶叶片数对压力脉动周期影响较小;叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。该文为改善泵体结构,进一步提高深井离心泵的使用可靠性提供了依据。     

泵内大颗粒固液两相流流动试验

为了研究泵内大粒径球形颗粒运动规律,该研究以一台单级单吸悬臂式离心泵作为研究对象,采用高速摄影试验测试的方法对大粒径球形颗粒在固液两相流泵内的运动轨迹、通过性能以及颗粒与隔舌的碰撞规律进行了研究.测试结果表明:不同粒径的球形颗粒在泵内的轨迹变化规律相似,在叶轮进口处均有向叶片背面运动的趋势,而在运动过程中又逐渐脱离叶片...     

小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验

为了对离心分种器进行结构改进和参数优化以提高小麦小区播种机的分种均匀性,该文对小麦离心分种过程进行运动分析,得出小麦籽粒的运动受到离心分种器转速、分种面夹角和分种距离的影响;采用离散元仿真软件,建立仿真模型,以离心分种器转速、分种面夹角和分种距离为试验因素,以分种均匀性变异系数为试验指标,进行不同播量下的三因素三水平正交试验,研究各个因素对分种均匀性的影响规律,以获得较优的参数组合。仿真试验结果表明,在播量为2 000、3 000粒时影响分种均匀性的主次因素为离心分种器转速、分种距离和分种面夹角,在播量为1 000粒时为离心分种器转速、分种面夹角、分种距离;通过仿真试验和台架试验,确定离心分种器较优参数组合为离心分种器转速1 250 r/min、分种面夹角120°、分种距离17.5 mm,台架试验条件下3种播量的分种均匀性变异系数分别为5.18%、4.45%和3.98%,与仿真试验结果相差0.36%、0.14%和0.55%,两者基本一致,且籽粒破碎率为0.17%、0.13%和0.14%,具有较小的籽粒破碎。该研究可为小麦小区条播机的离心分种器优化改进以及分种性能提升提供参考。     

偏置短叶片离心泵内三维流场数值模拟

改善离心泵的水力性能,提高效率是离心泵优化设计的重要研究内容。采用Fluent软件,基于Reynolds时均N-S方程和RNG k－e湍流模型,对IS65-40-250型偏置短叶片离心泵进行三维流场数值模拟,分析了流体在离心泵内的速度和压力分布,揭示其内部的流动规律。研究表明：采用短叶片偏置设计方法,有利于提高离心泵内流场速度和压力分布的均匀性,减小了叶轮出口处的压力脉动,降低了冲击损失;对改进后的离心泵扬程和水力效率进行计算,发现其扬程和水力效率较原型离心泵分别提高了3.46%和1.7%,达到增效节能的目的。