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%.     

离心泵叶轮参数的优化设计

以叶轮圆盘摩察损失和压水室内水力损失之和有极小值为追求目标，在对设计变量合理约束的条件下，寻求最优的Ｄ２，ｂ２，β２和ｚｏ该方法使泵设计工况有较高的效率。     

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．     

离心泵叶轮出口主要几何参数的优化设计

提出了一种与现行设计理论有较原则区别的新的设计计算离心泵叶轮出口主要几何参数的优化方法,该方法把叶轮出口处的相对速度W_2与进口相对速度W_1相联系,在此约束条件下以出口绝对速度有V_2极小值为追求目标,从而寻求最优D_2和β_2值。该方法有条件将叶轮内及蜗壳内的损失减少到最小值,提高水泵效率。本文提供了求优过程的Fortran算法语言程序。     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

离心泵蜗壳拓扑优化设计方法研究

为了提高离心泵的水力性能,采用拓扑优化方法对离心泵蜗壳进行拓扑优化设计,建立了优化数学模型,优化目标函数为最小化流体的总压损失,约束条件为流体域的体积约束.基于OpenFOAM,编制了优化问题分析和求解程序,通过连续伴随法求得目标函数对设计变量的灵敏度,采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题.二维蜗壳优化结果表明,提出的蜗壳拓扑优化方法能够获得蜗壳优化设计方案,得出的蜗壳结构与用传统设计方法设计出的蜗壳结构十分接近,且拓扑优化方法下的蜗壳流场内总压损失更小,特别是在传统蜗壳设计方法不适用的情况下,该方法能够自动获得蜗壳构型.研究结果对于拓展离心泵优化设计方案具有一定的借鉴价值.     

离心泵的优化设计

在射流－尾迹模型方法和性能预测的基础上，建立了以效率为目标函数、以叶轮的主要几何尺寸和叶片安放角为约束条件的离心泵水力设计优化模型。此方法所需计算机内存小、计算时间少，可在微机上运行。     

基于高维混合模型的离心泵叶轮子午面优化设计

为提高离心泵在设计工况下的运行效率和扬程,提出一种基于高维混合模型的离心泵叶轮优化设计方法.选取一台比转数为157的单级离心泵作为研究对象,通过CFturbo软件对优化变量进行参数化,然后结合数值模拟获得高维混合模型的训练集.在此基础上采用获取的训练集通过MATLAB机器学习得出效率、扬程与优化参数之间关于支持向量回归的高维模型,并采用遗传算法寻优.在设计工况下,所拟合的高维混合模型预测的效率和扬程值比原模型分别高1.5%和3.2 m,数值模拟验证优化方案的效率和扬程分别比原模型高0.9%和2.1 m.算例研究表明,将高维混合模型应用于离心泵叶轮的优化设计中可以实现快速寻优并提高离心泵水力性能.     

离心泵叶轮的参数化设计

针对传统离心泵叶轮设计步骤繁琐的不足,提出了采用4次Bezier曲线来设计叶轮的轴面流线及叶片型线的方法.详细介绍了轴面流线和叶片型线的控制方法,使其和传统的离心泵设计理论结合起来.将椭圆型偏微分方程应用于叶轮轴面的离散以及叶片空间曲面的生成,并将叶片的空间曲面造型问题转换成偏微分方程的边值问题,控制边界条件即达到对叶片的控制.数值求解边值问题的解,即可得到泵叶片的数值模型,然后再将叶片的数据导入造型软件并生成叶轮的实体造型,实现了离心叶轮的参数化设计.实例计算结果表明,提出的理论和方法是有效的,能够实现叶轮的快速高效设计.     

离心泵不锈钢叶轮冲压焊接的成型工艺

在分析离心泵叶轮结构特点的基础上,考虑不锈钢叶轮的冲压及焊接工艺等方面,采用了带有锥度的前盖板和S形的扭曲叶片,并运用激光焊接技术连接固定叶片和前后盖板。通过研究叶轮叶片、前盖板和后盖板的冲压工艺流程,同时对工艺过程中出现的问题如叶片弯曲时产生回弹、后盖板冲压变形等进行了分析。采用冲压及激光焊接工艺所制作的叶轮前、后盖板与叶片耦合性好,避免了叶轮流道之间的串流现象,可以保证前、后盖板基本不产生变形,焊接表面平整,可以有效改善不锈钢冲压焊接叶轮的水力性能。     

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。     

螺旋离心泵叶轮叶片型线方程

为了使螺旋离心泵能够具有更优良的性能,传统的设计方法已经不能很好地满足要求.根据螺旋离心泵叶轮结构特征,推导出螺旋离心泵叶轮叶片的型线方程,并用型线方程绘制螺旋叶轮,避免了一元理论水力设计方法中手工作图的繁杂和依赖经验的欠缺,对螺旋离心泵的快速叶片绘型、提高设计精度、计算机辅助设计与三维内部流场的数值模拟有重要意义.通过例证,用型线方程获得的流线,在方格网上变化均匀、光滑,出口角接近于计算值,数值模拟所得结果与原型实验结果基本一致,从而验证了这种方法具有可行性.     

超低比转速高速离心泵复合式叶轮的正交设计

针对影响超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径向进口的相对位置、叶片周向偏置度及偏转角等4个主要因素,设计了16种不同短叶片型式的复合式叶轮.通过对正交设计方案结果的极差分析,得出各因素水平对扬程和效率影响的主次顺序分别为短叶片数、偏转角、周向偏置度、径向进口的相对位置和短叶片数、径向进口的相对位置、周向偏置度、偏转角,从而得到超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片的最佳设计方案.利用CFD软件,分别对采用常规叶轮和正交设计的复合式叶轮两种方案进行了数值模拟和性能预测.结果表明,采用正交设计的复合式叶轮内部压力场和速度场分布合理,Q-H曲线更加平坦,Q-η曲线最高效率点向大流量偏移,在相同设计方案下,复合式叶轮离心泵在大流量工况条件下工作性能良好.     

基于响应曲面法的氟塑料两相流泵优化设计

为提高氟塑料两相流离心泵的效率及降低磨损率,基于离散颗粒模型(DPM)对氟塑料两相流泵内部流场进行模拟仿真,结合FINNIE磨损模型,对泵叶轮的磨损情况进行预测,采用响应曲面法,以叶轮的主要几何参数为变量,构建各优化目标的数学模型,利用Matlab绘制上述6个叶轮外形参数与各优化目标之间的3D响应面图形,并通过Matlab统一各数学模型,对SJB400-250-300型氟塑料离心泵叶轮的外形参数组合进行寻优,得到最优参数组合.研究结果表明,氟塑料离心泵叶轮的各外形参数之间存在交互性影响,当叶轮进口直径D₁、叶片包角φ、叶片进口安放角β₁、出口角安放角β₂、叶片出口宽度b₂取高水平,叶轮出口直径D₂取低水平时,能够获得更好的综合性能,优化获得模型相较于原模型,效率提升8.98%、磨损率下降了6.64%.通过对参数和优化目标间的交互关系进行分析总结,得到了叶轮各几何参数及各性能参数之间交互作用对优化目标的影响,为氟塑料两相流离心泵的性能优化设计提供依据.     

离心泵叶轮出口盖板形状对水力性能的影响

利用CFD数值模拟和试验两种方法,以Y80—100低比转速离心泵为研究对象,分析了离心泵叶轮出口盖板形状与水力性能的关系,对传统的圆弧形盖板和新型的直边型盖板进行了研究.从理论上分析了直边型盖板对离心泵性能曲线的影响.利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,对两种水力模型在7种不同工况下分别进行数值计算,由数值计算结果重点分析了小流量工况下两种模型内部流场的动压、静压分布情况,并绘制性能曲线,预测曲线与试验曲线基本一致.研究表明：新型的直边型盖板具有消除性能曲线驼峰,提高泵的流量、扬程的特点.研究成果有较好的实际工程应用价值.