基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计

为进一步探索优化高比转速混流泵水力性能的方法,该文选用比转速为803的高比转速混流泵为研究对象,运用商用软件ANSYS CFX 15.0,选取剪切应力传输(shear stress transport,SST)湍流模型对其内部流动进行计算。以高比转速混流泵的水力效率、扬程为优化目标,采用给定沿叶轮叶片轴面流线的速度矩的分布规律来实现对叶片的间接参数化,以描述该速度矩分布的四次多项式的3个参数为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,最后结合NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优,取效率最优个体和扬程最优个体与初始模型进行分析:得到了上述3个个体的速度矩分布规律与各微元段包角沿轴面流线的变化趋势,效率最优与扬程最优时叶片包角,即各微元段包角之和,分别为75.15°、67.85°。给出了0.5倍叶高处叶轮导叶的相对流线、速度、静压分布以及0.2倍、0.5倍、0.8倍叶高处叶片相对弦长的静压分布。试验证明,效率最优个体的效率较初始个体提高了1.12%,与CFD(计算流体动力学,computational fluid dynamics)计算结果 1.33%接近。该优化方法改善了叶轮的水力特性,提高了高比转速混流泵的性能,为高比转速混流泵的优化设计提供了参考。     

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。     

混流泵压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响

为了研究不同工况下混流泵内部压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对混流泵进行非定常数值计算,在此基础上取叶片表面非定常压力脉动作为声源,采用间接边界元法对由叶片旋转偶极子源所引起的外场噪声进行数值计算。结果表明:混流泵叶轮进出口处的压力脉动幅值均是沿着轮缘到轮毂逐渐减小,叶轮进口处压力系数的最大值是出口处的2倍;沿着蜗壳周向,隔舌部位处压力脉动最为剧烈,随着监测点的位置远离隔舌,其压力脉动情况逐步改善;不同工况下,混流泵内各处的压力脉动主频均保持叶片通过频率不变;混流泵叶轮和蜗壳之间的动静干涉作用是引发流动诱导噪声的主要原因;流动诱导噪声的主频是由压力脉动主频以及泵体结构的固有频率综合决定的;不同工况下,混流泵内部压力脉动程度越强,该工况对应的流动诱导噪声辐射水平越强。该文对混流泵机组的稳定运行以及流动诱导噪声的控制提供了参考。     

输卤泵叶轮内部湍流流动的分析

混流式输卤泵内部伴有盐析的液固两相流动问题非常复杂,首先需要了解在清水状态下,其内部真实流动现象的物理本质。为此,该文基于Navier-Stokes方程和标准的κ-ε湍流模型,首次模拟了清水状态下输卤泵叶轮内部的三维湍流场,并运用实验手段对叶轮进出口流场进行了测量,给出速度和压力分布图。同时,结合数值计算与实验研究,对输卤泵叶轮进出口流场进行了初步的理论分析。实验结果表明,计算所采用的κ-ε模型的修正方法基本符合此型泵内部流动的实际情况;并认为叶轮进口处特殊的轴向速度分布,对叶片的改进设计值得注意。提出的结论、观点将为今后该型泵内部卤水流动研究提供依据。     

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。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验

为了研究高转速轴流泵性能预测问题,采用圆弧法和流线法完成550比转速QY90-4.4-1.5轴流式潜水泵叶轮和导叶水力设计。采用计算流体动力学(CFD)对泵性能进行预测,运用Pro/E软件完成泵流道三维实体造型和非结构网格划分,基于标准k-ε湍流模型进行泵内部流场数值模拟,得到模型泵性能预测数据和曲线。在样机型式试验及综合分析基础上,发现实测与预测性能参数吻合程度较高,由于对回流及二次流等的模拟还存在欠缺,在偏离额定工况较大时泵流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率曲线产生一定的误差。通过分析最优工况叶片表面压力和相对速度分布,揭示叶片头部因液流撞击形成较大压降梯度,背面进口边稍后是较宽的低压汽蚀危险区。叶片表面速度沿半径逐渐增大,基本上没有径向分速度。总体符合速度环量沿半径均匀分布的假设。     

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。     

双吸式叶轮内流三维数值模拟及性能预测

以时均化的N-S方程和考虑旋转与曲率影响的修正的k- 湍流模型为基础，在贴体坐标系中运用SIMPLEC算法，对双吸式离心叶轮内流进行三维湍流数值模拟。计算得到叶轮内的速度、压力场分布，预估了扬程、水力效率并与试验值进行对比。计算结果表明，在双吸式叶轮中，从叶轮进口到出口压力逐渐增加；在叶片区域，处于前盖板和对称面之间的中间截面上，叶片工作面附近的压力明显大于背面附近的压力，且从对称面到前盖板各中间截面上的压力梯度显著增加；流动关于对称面对称，在对称面上不存在轴向速度；设计工况下叶轮出口断面上压力分布明显比其它工况均匀， 因此水力效率最高。     

泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析

为了掌握泥沙介质在水轮机转轮中的分布规律以及对转轮压力场的影响,该文应用固液两流体多相流动模型,充分考虑了固液两相间的相互作用,通过求解雷诺时均N-S方程和重正化群k-ε湍流方程,对不同泥沙介质条件下水轮机转轮通道中的流动进行数值研究。研究结果表明,含沙水会导致水轮机转轮叶片表面压力载荷增大,固液两相间速度差异是导致叶片表面泥沙体积浓度分布的变化的主要原因。小粒径泥沙在叶片表面分布均匀且体积浓度低,大粒径泥沙会集中分布在叶片的前缘及出水边等区域。该研究可为多泥沙电站水轮机转轮抗泥沙设计提供参考。     

C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性

为了研究不同叶片进出口边形状及位置对贯流式水轮机内部的流动特性及机组能量特性所产生的影响,并为贯流式水轮机叶片的水力设计提供参考,该文基于某4叶片灯泡贯流式水轮机模型机,利用ANSYS-Bladegen对转轮叶片进行优化设计,并通过数值研究的方法对优化前（C 型叶片）和优化后（S 型叶片）的贯流式水轮机进行流场分析和性能评估,以揭示2种形式的叶片几何参数差异所引起的水轮机内流动特性及水轮机能量特性的差异。研究结果表明：S型叶片因其进出口边位置低于C型叶片,因此流道内速度矩的消耗位置较低,转轮出口环量分布规律也呈S型分布;C型叶片具有较大的叶栅稠密度及包角,叶片表面低压区较小,相反S型叶片叶栅稠密度及叶片包角较小,叶片正背面压差较大,因此转轮能量转换能力优于C型叶片,同时S型的出水边有效的减小了转轮出口的低压区,有助于改善尾水管内的流动特性;叶片进出水边对转轮内的水流具有导流作用,且流量越小,这种趋势越明显,S 型叶片进水边形状有将水流导向轮缘的趋势,水流在流道内的流量分配也呈近似 S型分配;S型叶片叶栅排挤作用减小,转轮内的水力损失、转轮出口环量损失及尾水管水力损失也明显小于C型叶片,因此其整体能量特性优于C型叶片。     

离心泵进口来流速度扰动不确定性对水力性能及流场的影响

离心泵运行过程中其进口来流速度随时间的波动对泵的水力性能具有不可忽略的影响,该研究采用非嵌入式多项式混沌（non-intrusive polynomial chaos, NIPC）方法对进口来流速度扰动的不确定性进行量化分析,探究其对离心泵水力性能的影响。结果表明：随机来流速度对泵的水力性能具有较大影响,且不确定度越大,其影响越大;进口来流速度扰动会引起泵叶片压力面尾缘与吸力面上压力分布及叶轮流道内流场的变化,从而造成泵的扬程及效率的波动且波动范围较大;同时,来流不确定性的影响在叶轮内流场中的传播是非对称且非均匀的。不同工况下来流速度随时间的扰动对泵性能的影响有所差异,大部分工况下来流速度扰动会造成泵性能的下降,其中不确定度为5%时,扬程最大可下降0.4 m,效率下降3%。对不同工况下泵的进口流速不确定性进行量化分析,能够对离心泵在整个运行工况下的稳健性进行综合评定,为泵稳健性设计提供一定的基础。     

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0.85Q_des和1.15Q_des(Q_des为设计流量)处泵段水力效率为优化目标,以1.0Q_des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L_h和L_S(前缘与轮毂及轮缘交点的X轴坐标)与载荷参数K_h、L_Es、N_Cs和K_s(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0.85Q_des     

高比转数双蜗壳混流泵设计及流动特性分析

针对目前比转数超过500的蜗壳混流泵研究较少,该文基于理论分析、CFD技术和模型试验的研究方法,以某高比转数混流泵的叶轮与蜗壳在设计工况下的良好匹配为目标,利用速度系数法对蜗壳结构进行优化设计,设计了一台比转数为585的高比转数双蜗壳混流泵,并对优化后的高比转数双蜗壳混流泵的内部流动特性进行了分析。将外特性试验数据与数值计算结果作对比,验证了该文数值计算模型与方法的准确性。研究结果表明,双蜗壳方案下水泵在偏离设计工况下的效率明显高于单蜗壳方案;双蜗壳结构混流泵的径向力在相同工况下比单蜗壳结构的径向力低,双蜗壳结构在保持原有水力性能的基础上还可以起到减小径向力的作用;不同工况下双蜗壳混流泵叶轮径向力矢量轨迹图分布呈类似正方形的封闭区间分布,径向力合力随时域呈现周期性变化,每个转动周期内有4个波峰和波谷;设计工况下的瞬态径向力合力最小,而小流量工况下的瞬态径向力合力最大且最不稳定,说明当双蜗壳混流泵长期运行在小流量工况下会增加安全事故隐患。研究成果为高比转数双蜗壳混流泵的设计以及内部流动特性研究提供了参考。     

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。     

离心泵作液力透平叶轮出口滑移系数的解析计算方法及验证

为了通过理论的方法准确预测液力透平的性能,该文分析了叶轮内部相对环流流动的特征,提出了3种计算离心泵反转作液力透平叶轮出口滑移系数的方法,得到了相应的叶轮出口滑移系数解析计算公式,然后采用10组离心泵反转作液力透平的试验数据对所提出的滑移系数计算公式进行验证,最后得出与试验结果较为吻合的解析公式。结果表明:当假设叶片工作面上的相对涡诱导速度与叶轮出口边上的相对涡诱导速度的比值等于叶片和涡心所张曲边三角形的面积与叶轮出口边和涡心所张曲边三角形的面积之比时,得到的液力透平叶轮出口滑移系数的计算公式最准确,可用于较准确地预测液力透平的性能。在计算液力透平叶轮内的滑移时只需计算叶轮出口的滑移。该研究结果为更加精确地通过理论方法预测液力透平的性能提供了参考。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

泵轮叶片削剪对液力变矩器性能的影响

削剪泵轮叶片是优化液力变矩器性能的一种手段。为了研究泵轮叶片削剪程度对液力变矩器性能的影响规律,该研究基于计算流体动力学,采用应力混合涡湍流模型（stress-blended eddy simulation,SBES）对液力变矩器内部流场进行仿真模拟,依托外特性试验验证仿真结果的准确性。通过Q准则涡识别方法,甄选合适阈值重构叶片削剪前后泵轮流道三维涡系结构,定性分析多尺度涡动力学特性,量化提取二维流场图谱信息,揭示流速场时空演化规律。结果表明：泵轮叶片设计流线从出口处经过10%、20%和30%的削剪后,液力变矩器的变矩比逐渐增大,由原型变矩器的1.77增大到叶片削剪30%的2.33,泵轮转矩系数降幅明显,由原型变矩器的5.51降低到叶片削剪30%的3.39,叶片削剪10%后变矩比增大4.34%,泵轮转矩系数降低10.73%,降幅明显;随着泵轮叶片削剪程度加剧,叶片对流体的推动作用减弱,流体动能减小,多尺度涡运动趋势衰减,流道中部涡结构特征改变,流道出口高能小尺度“脱落涡”现象减弱;泵轮流道出口流速随叶片削剪程度增大而减小,由原型变矩器的23 m/s降低到叶片削剪30%的19 m/s,泵轮进口流速几乎不变,因进出口流速的变化,泵轮转矩系数降低。研究结果可为液力变矩器叶片设计与性能优化提供指导性建议。