大型雙吸式離心泵性能優(yōu)化研究.pdf

1、離心泵是重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和流體輸送機(jī)械，在航空航天、潛艇、船舶、農(nóng)業(yè)、輕工、食品、醫(yī)藥、自來水工程和污水處理等各行各業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)家“十二五”規(guī)劃的實(shí)施，離心泵產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步的增長(zhǎng)。然而，國(guó)內(nèi)離心泵領(lǐng)軍企業(yè)與國(guó)外龍頭企業(yè)相比，無論是技術(shù)層次還是市場(chǎng)銷售額方面都存在較大的差距。國(guó)內(nèi)很多重要行業(yè)對(duì)離心泵產(chǎn)品的需求大多依賴于進(jìn)口，且進(jìn)口總額有逐年遞增的趨勢(shì)。為提高國(guó)內(nèi)離心泵設(shè)計(jì)水平，打破國(guó)外的壟斷地位，本文以雙吸

2、式離心泵性能優(yōu)化為主線開展研究工作，對(duì)雙吸式離心泵葉輪參數(shù)化設(shè)計(jì)、雙吸式離心泵元模型建模及性能預(yù)測(cè)、雙吸式離心泵多目標(biāo)優(yōu)化問題以及基于流固耦合的雙吸式離心泵振動(dòng)性能優(yōu)化等四個(gè)方面進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容及工作成果如下：
　?。?）結(jié)合了傳統(tǒng)離心泵設(shè)計(jì)方法以及葉片設(shè)計(jì)理論的優(yōu)點(diǎn)，輔助離心泵性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用以五點(diǎn)四次Bezier曲線為主體的控制曲線，參數(shù)化控制離心泵葉輪軸面流道形狀，并利用雙吸式葉輪的對(duì)稱特性，實(shí)現(xiàn)了雙吸式離心泵葉

3、輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上建立了雙吸式離心泵葉輪四自由度及五自由度參數(shù)化控制模型。通過改變離心泵決策變量的取值，能夠快速便利的獲取一系列不同葉片曲面形狀的雙吸式葉輪幾何模型，從而為離心泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬、外特性預(yù)測(cè)、元模型建模以及性能優(yōu)化提供必要的模型基礎(chǔ)。
　?。?）通過在離心泵決策變量的定義域區(qū)間內(nèi)，采用拉丁超立方抽樣法分別對(duì)葉輪四自由度和五自由度模型抽取樣本點(diǎn)，生成了一系列與之對(duì)應(yīng)的離心泵葉輪幾何模型，并基于幾何模型建立各自的

4、CFD模型進(jìn)行數(shù)值模擬，從而求解出各樣本點(diǎn)處的離心泵性能參數(shù)。為研究離心泵內(nèi)流場(chǎng)速度、壓力分布規(guī)律及葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)外特性曲線的影響，本文以一個(gè)樣本點(diǎn)為例，對(duì)不同轉(zhuǎn)速、不同流量工況下的雙吸式離心泵進(jìn)行了內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬和外特性預(yù)測(cè)?；跉?液兩相流的離心泵CFD仿真，研究了不同流量點(diǎn)下的氣體體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，預(yù)測(cè)了葉輪容易發(fā)生氣蝕的位置，預(yù)測(cè)結(jié)果與葉輪實(shí)際氣蝕的位置相吻合。利用拉丁超立方抽樣獲取的樣本點(diǎn)及CFD數(shù)值模擬求解的結(jié)果，分別建立了離心

5、泵四自由度和五自由度模型的元模型，并對(duì)元模型進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，確保了基于元模型的離心泵性能多目標(biāo)優(yōu)化研究的有效性。
　?。?）提出了以SKE法為核心的離心泵性能多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究了離心泵四自由度模型雙目標(biāo)優(yōu)化和五自由度模型三目標(biāo)優(yōu)化問題，該類方法合理的集成了CFD數(shù)值模擬、元模型技術(shù)以及試驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又最小化各自的缺點(diǎn)，減少了數(shù)值模擬和試驗(yàn)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了以最小的成本和研發(fā)周期，獲取綜合性能最優(yōu)的離心泵的目的。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方

6、法研究了NSGA II和MOEA/D求解離心泵多目標(biāo)優(yōu)化問題的效率和能力，確保了優(yōu)化結(jié)果的統(tǒng)計(jì)置信度。為指導(dǎo)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取，結(jié)合泵的設(shè)計(jì)提出了基于Monte Carlo仿真的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，有效地克服了傳統(tǒng)方法不能解決的產(chǎn)品性能隨決策變量波動(dòng)的問題。
　　（4）建立了泵殼-葉輪-葉輪軸-導(dǎo)流錐殼-密封圈-水力模型的離心泵三維流固耦合全流場(chǎng)模型，結(jié)合流固耦合技術(shù)將SKE法應(yīng)用于離心泵五自由度模型振動(dòng)性能優(yōu)化問題的研究，獲取了最優(yōu)振