多级离心泵多变量优化设计研究

从建立多级离心泵叶轮特性与导叶特性的匹配关系入手,建立了包含叶轮和导叶参数的一个实用化离心泵的多目标多变量优化数学模型。应用MATLAB遗传算法工具箱对该多目标多变量优化模型进行数值求解,得到了叶轮进出口直径、叶轮进出口宽度、叶轮叶片数、叶片出口角、导叶的基圆直径、喉部尺寸、导叶叶片数等关键设计参数的优化结果。最后采用面积比原理验证了该优化方法的实用性。     

离心泵多目标优化设计及数值模拟研究

为进一步提高离心泵的优化设计水平,选择多目标优化与数值模拟相结合的方法,对一台低比转速离心泵进行优化分析,首先,以离心泵能量损失、抗气蚀性能及运行过程的稳定性为优化目标,离心泵叶轮的7个主要几何参数为设计变量,分别建立离心泵参数优化的数学模型,采用权矩阵分析的方法,给3个分目标函数分配相应的权值,并通过评价函数将它们统一为一个目标函数,利用遗传算法对目标函数进行多目标优化求解,得出叶轮7个设计参数的最优组合,将优化后的叶轮参数反代入优化模型中,结果显示离心泵的能量损失降低了4.3%,汽蚀余量降低了0.31 m;为进一步验证优化后泵运行的状态,根据优化后的叶轮参数建立离心泵水体三维模型,并利用CFX软件对水体模型做数值模拟分析,对比分析了优化前后流场中的压力脉动情况,结果显示优化后泵的蜗壳流道内压力脉动幅值降低了,优化后泵的运行稳定性有一定的提高。     

基于RBF神经网络与DECIMO算法的螺旋离心泵多目标优化设计

针对螺旋离心泵运行时性能普遍偏低的问题,以某一典型螺旋离心泵为研究对象,应用计算流体动力学软件CFX对螺旋离心泵进行数值计算得到其内部流动规律.以在设计流量工况下的扬程和效率作为优化目标,采用P-B试验与多因素方差分析筛选出优化变量,采用径向基(RBF)神经网络建立优化目标与优化变量之间的预测模型,并结合差分进化(DECIMO)算法在样本空间内全局寻优.取扬程最优、效率最优和初始个体进行数值计算,对比分析泵输送不同介质(清水与固液两相流体)时的流场及其外特性差异,并进行试验验证.研究结果表明：叶片轮毂进口角β_1b、叶轮出口宽度b₂、叶轮出口直径D₂和叶片包角φ是影响螺旋离心泵扬程和效率的显著因素;由RBF神经网络建立的预测模型精度较高;输送清水时,设计流量下扬程最优个体扬程为9.4 m,增长了13.5%;效率最优个体效率比初始个体提高了9.8%,优化效果显著.     

基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计

针对水力机械优化设计过程中存在计算量巨大、叶型的控制及修改不便等问题,提出了基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计方法。以某低比转数离心泵叶轮为研究对象,采用泰勒展开法进行离心泵叶片形状的参数化控制。将泵内流动控制方程作为优化问题的约束条件,通过引入伴随变量将约束优化问题变为无约束优化问题,推导了目标函数的变分形式、伴随方程及伴随变量在计算域各边界上的边界条件。根据伴随方法计算目标函数对设计变量的梯度矢量,在任意给定的初始直叶片的基础上沿梯度矢量反方向不断更新叶片形状,直至目标函数达到最小值时即为最优设计。由于在目标函数的变分中不包含流场参数的变分,在一次优化迭代中只需要计算流场及伴随变量场各一次,大大减少了叶轮优化过程的计算量。算例计算结果表明所提出的离心泵叶轮伴随优化方法是可行的。     

离心泵多工况能量损失系数修正方法

将能量损失系数融入离心泵多工况能量性能模型中,并采用全局优化算法对其进行求解,从而建立了一种离心泵能量损失系数修正方法。采用Pointer优化算法修正了一比转数为92.7的离心泵性能计算模型中各损失系数,同时设计了7个不同叶片出口角、出口宽度、叶片数的叶轮进行了试验研究,并与计算结果进行了比较,结果表明扬程和效率的计算误差均小于4%,从而验证了该离心泵能量损失系数修正方法是可行有效的。本文的研究成果可以提高离心泵多工况水力优化设计的准确性。     

基于遗传算法的离心泵叶轮参数化造型及优化设计

根据流面流动理论,通过坐标变换实现离心泵叶轮子午面及叶片结构的参数化造型.采用自适应策略等技术对遗传算法的遗传操作进行改进以提高算法搜索效率,并设计了多目标决策的适应值函数.采用CFD软件NUMECA对叶轮及压水室等主要过流部件内部流动进行三维定常计算,从而预测离心泵的水力性能.编写FORTRAN程序实现参数化、搜索算法及性能预测3部分的联合,开发出一种离心泵叶轮造型的自动优化方法.以离心泵的2个外特性参数效率和扬程作为优化目标,应用该方法对Dn1000型潜油泵及IS80-65-125型清水泵的叶轮结构进行多目标优化.优化后两泵的水力性能有了明显提高,在设计工况下扬程分别提高了0.21 m和1.70 m,效率分别提高了1.9%和2.3%.     

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。     

高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．     

基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化设计

传统离心泵多目标优化设计中,代理模型的预测精度随着Pareto前沿不断向前推进将逐渐降低,为改善离心泵多目标优化效果,提出一种基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化方法,将生成的Pareto前沿解中部分最优样本添加到RBF样本集中,重新训练RBF代理模型,依据动态代理模型预测子代各样本的目标函数值.以MH48-12.5型离心泵为研究对象,选取叶片的进口安放角、出口安放角及叶片包角为优化变量,采用拉丁超立方抽样(LHS)构建代理模型初始样本空间,并以扬程和效率为优化目标进行多目标优化分析.结果表明：动态RBF代理模型多目标优化方法得到的Pareto前沿要大大优于静态代理模型方法结果,静态代理模型方法得到的Pareto前沿各点均被动态模型方法得到的Pareto前沿所支配;动态代理模型对前沿解的预测精度均大于静态代理模型;动态代理模型方法得到扬程最大点比原始设计高2.86%,比静态模型高1.03%;动态代理模型方法得到水力效率最高点比原始设计效率高4.36%,比静态模型高1.32%.     

轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化

为了实现轴流泵水力性能的自动优化,建立了基于I-sight软件的轴流泵叶轮设计优化平台,实现了模型更新、计算域网格划分、数值模拟计算以及数据读写的自驱动.为了避免传统优化过程中出现的反复造型所带来的问题,对基于圆弧法设计的轴流泵叶片通过进、出口角及不同位置的叶片厚度进行参数化解析,据此提出一种轴流泵叶片的参数化造型方法,实现以较少的变量控制叶片的外形.以轴流泵的水力效率为优化目标,以叶片二维截面的进、出口角为优化变量,以表征性能的参数扬程为约束条件,应用多岛遗传算法对一台比转数为1 500的轴流泵进行优化计算.结果表明:通过500次迭代计算,额定工况的水力效率由80.4%提升到82.4%;在(0.8~1.2)Q_BEP,泵的水力效率均有所提高,高效区域得到了扩大.该结论对于叶轮机械的水力优化和工程应用,有一定的价值.     

基于自由曲面变形方法的离心泵叶片载荷优化

针对传统离心泵叶片反问题及其优化难以进行,提出了基于载荷驱动的离心泵叶片自由曲面变形反问题方法,构建了更为稳定有效的晶格变形函数。根据离心泵叶片载荷分布特征采用多段样条曲线对离心泵叶片的载荷进行参数化控制,在控制变量空间进行试验设计,采用响应面方法对叶片载荷分布规律进行优化研究,得到了离心泵叶片载荷分布规律与对应的叶片形状及叶片水力性能间的关系,得到了低比转速离心泵叶片理想的载荷分布规律。算例优化结果表明:提出的离心泵叶轮叶片载荷优化理论及方法是可行的。     

离心泵复合叶轮短叶片偏置设计研究

对离心泵叶轮进行偏置短叶片设计既能够避免叶轮进口过度排挤，又能够解决叶轮出口流道扩散严重的问题，因而是改善低比转速离心泵性能的有效方法。为了研究短叶片水力设计方法，首次提出了以叶轮流道内不出现回流区域为目标建立的叶片数计算公式，进而确定了叶片型线的设计方法以及短叶片的偏置设计准则，为短叶片偏置设计提供了精确的数学基础。最后，对一台比转速为47的复合叶轮离心泵，在不同短叶片偏置设计参数下进行了试验，试验验证表明，文章中提出的计算公式可以指导设计。     

离心泵叶轮的参数化设计

对离心泵叶轮优化设计存在的问题进行了详细的阐述,离心泵叶轮优化设计的主要困难在于复杂的内流道形状及其与泵水力性能间复杂的隐式关系,对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍．为了减少计算量,采用偏微分方程方法对离心泵叶片几何形状进行参数化控制,参数化控制偏微分方程的边界条件,假定方程中的控制参数a(u,v)为常量1,采用响应面方法对泵叶轮进行优化设计,根据试验及模拟结果进行二阶多项式响应面回归,分析发现二阶多项式响应关系不能反映离心泵叶轮设计目标与控制变量间的复杂的非线性关系．为此,在此基础上提出采用偏微分方程构建设计目标的偏微分超曲面响应,数值求解多维空间上偏微分方程的边值问题,进行优化分析得到最优设计．优化设计实例计算结果表明提出的理论及方法是合理的．     

离心泵叶轮的参数化设计

对离心泵叶轮优化设计存在的问题进行了详细的阐述,离心泵叶轮优化设计的主要困难在于复杂的内流道形状及其与泵水力性能间复杂的隐式关系,对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法 3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍.为了减少计算量,采用偏微分方程方法对离心泵叶片几何形状进行参数化控制,参数化控制偏微分方程的边界条件,假定方程中的控制参数a（u,v）为常量1,采用响应面方法对泵叶轮进行优化设计,根据试验及模拟结果进行二阶多项式响应面回归,分析发现二阶多项式响应关系不能反映离心泵叶轮设计目标与控制变量间的复杂的非线性关系.为此,在此基础上提出采用偏微分方程构建设计目标的偏微分超曲面响应,数值求解多维空间上偏微分方程的边值问题,进行优化分析得到最优设计.优化设计实例计算结果表明提出的理论及方法是合理的.     

CFD技术在离心泵优化设计中的应用

随着CFD(计算流体力学)的迅速发展,CFD技术已经被广泛地应用于各类流体机械的设计与优化中。将CFD技术应用于离心泵叶轮优化设计中,以叶轮两叶片间的流场作为研究对象,采用非结构化网格进行网格划分;采用基于时均Navier-Stokes方程和标准k-ε紊流模型对得到的离心泵进行流场计算,并根据计算结果,对离心泵内部流场进行了分析;提出了修改叶轮进口安放角和叶片形状的方法进行优化改型。通过对修改后的叶轮流场进行计算,可以看到叶轮内部流场和流速分布都得到了改善,证明优化后的叶轮形状更符合流动特性。结合实例证明了该方法在离心泵叶轮优化设计中的有效性。     

射流离心泵动静叶栅匹配的水力与声学性能优化设计

为提高射流离心泵叶轮和导叶水力设计水平,优化动静干涉对泵的水力性能及其声学响应特性影响,采用正交试验方法结合CFD/CFA(计算流体动力学/计算流体声学)技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化设计,试验设计统筹考虑叶轮和正导叶相关结构参数,分析叶轮叶片数、叶轮叶片型线、导叶叶片数、导叶叶片型线及动静叶栅间隙对射流离心泵扬程、水力效率和动静叶栅内部流体动力噪声的影响规律,采用矩阵分析法确定多目标优化方案,获得综合性能最优的动静叶栅匹配组合。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0. 5个百分点,动静叶栅内的整体噪声明显降低,其中叶轮诱导噪声降低7. 1%,导叶诱导噪声提高2. 2%,验证了权矩阵分析法确定多指标优化方案的可行性;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动静叶栅的叶片数;动静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其水力效率的影响更加敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响更加敏感;压力脉动引起具有偶极子特性的流体动力噪声,导叶诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性基本一致,但叶轮诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性有较明显的区别。     

斜流泵叶轮的多参数组合优化

以比转速为392的斜流泵为研究模型,选取叶片出口安放角、叶片出口边宽度、后盖板倾角3个参数作为研究变量,采用CFD方法对斜流泵性能进行了多参数组合优化的数值计算,并根据性能试验数据验证了CFD数值方法的准确性。基于Box-Behnken试验建立3因素3水平共17组叶轮模型的试验表并对各方案设计工况下的内流进行了数值计算。采用二次响应面模型拟合效率的性能预测模型,给出目标函数,基于遗传算法对目标函数进行求解。结果表明,对效率影响最为显著的参数为叶片出口安放角,其次为叶片的后盖板倾角,且效率均随二因素的增大而减小,叶片出口边宽度对其影响最小;与原模型叶轮叶片参数相比,β2、b2大于原模型参数,T2保持不变,优化结果显示模型泵水力效率提高1.2%,扬程提高了0.8%。     

离心泵多工况水力性能优化设计方法

基于全局优化算法和各项损失计算的离心泵能量性能计算模型,提出一种离心泵多工况水力性能优化设计方法.该方法以原始设计的关键几何参数值为初始条件、设计工况的扬程为约束条件、多个工况的加权平均功率最小为目标,同时采用自适应模拟退火算法对离心泵能量性能计算模型进行求解,采用超传递近似法来确定各目标函数的权重因子,并采用该方法对一比转数为129.3的离心泵进行了多工况优化,最后分别对原设计和多工况优化设计进行了数值计算,计算结果表明：0.6Qd和1.2Qd工况下,多工况优化得到的功率低于原始设计,而设计工况下,多工况优化得到的功率比原始设计略高;多工况优化得到的3工况点加权平均功率比原始设计低0.06%;多工况优化的3点加权平均效率则比原始设计高0.46%.研究结果对于离心泵的节能设计具有比较重要的参考价值.     

基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计

为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Q_d,1.0Q_d和1.2Q_d工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.     

高效率离心泵水力设计及BVF诊断

引入边界涡量流(BVF)理论对叶片进行诊断,探究叶片表面BVF分布与水力性能的关系,为将来改进设计提供诊断依据.选用IS150-125-250型离心泵(参考离心泵)基本参数,基于速度系数法和二元理论自编程序,设计出新的离心泵叶轮.与参考叶轮相比,新设计的叶轮进口端空间弯扭特征明显.采用RANS控制方程组和标准k-ε湍流模型对设计离心泵和参考离心泵全流道内流场进行数值模拟,对比分析两者含设计工况点在内的13个工况点的水力性能.同时根据设计离心泵和参考离心泵叶轮内流场计算结果,基于BVF诊断方法,对两叶轮叶片压力面和吸力面BVF分布进行对比分析.结果表明:相比参考离心泵,设计离心泵在小流量工况下扬程和效率较高,最高效率可提高5.3％.参考离心泵叶片表面BVF峰值较大,而设计离心泵叶片表面BVF分布更均匀,变化也更平坦,说明设计离心泵叶轮能更有效地抑制流动分离等不良流动的发生,改善了离心泵的水力性能.