基于NUMECA的離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、離心泵是應(yīng)用最廣泛的流體機(jī)械之一，但是普遍存在效率低、流動(dòng)不穩(wěn)定、抗汽蝕性能差等問(wèn)題；加之全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，提高性能、降低研發(fā)成本和縮短設(shè)計(jì)周期的壓力迫使葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)研究者不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。近年來(lái)，CFD技術(shù)廣泛應(yīng)用于葉輪機(jī)械內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中，已取得了可喜的研究成果，與此同時(shí)也出現(xiàn)了許多性能良好的優(yōu)化算法。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用不再局限于對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的研究和分析，而是與優(yōu)化算法結(jié)合來(lái)提高離心泵的效率

2、、減小流動(dòng)損失、拓寬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的高效區(qū)。
　　本文著眼于葉輪機(jī)械葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)離心泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了適合葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　葉輪和蝸殼是單級(jí)離心泵最重要的兩個(gè)過(guò)流部件，其優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能降耗有著重要意義。本文以單級(jí)離心泵為研究模型，采用優(yōu)化算法與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)其葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了其內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理。蝸殼是單級(jí)離心泵另一個(gè)重要的過(guò)流部件，蝸殼的設(shè)計(jì)以及與葉輪的匹配

3、關(guān)系同樣影響著離心泵的性能。因此，在對(duì)葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)蝸殼進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究蝸殼與葉輪匹配關(guān)系有著重要意義。
　　本文主要內(nèi)容和研究成果如下：
　　1.為了使 CFD技術(shù)有效地應(yīng)用于離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，研究了控制方程的離散格式，闡述了零方程Balding-Lomax模型、一方程 Sparlart-Allmaras模型和標(biāo)準(zhǔn)κ□ε湍流模型的構(gòu)造形式，并詳細(xì)介紹了生成高質(zhì)量網(wǎng)格的方法以及加速網(wǎng)格收斂

4、的技術(shù)。以單級(jí)離心泵葉輪為研究對(duì)象，利用NUMECA-Autogrid5模塊，對(duì)一比轉(zhuǎn)速為232的離心泵葉輪進(jìn)行全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分；以NUMECA-Fine/Turbo軟件為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部三維定常流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)格劃分和數(shù)值研究提供指導(dǎo)。
　　2.模型的參數(shù)化是葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)變量。把以離散點(diǎn)形式存在的葉輪轉(zhuǎn)化為可參數(shù)化控制的模型，大大減少了優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。本文采用非均勻有理B

5、樣條標(biāo)準(zhǔn)中的B樣條曲線(xiàn)和Bezier曲線(xiàn)對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行參數(shù)化擬合,主要包括以下幾步：①子午流線(xiàn)的定義；②流面的定義；③葉片積疊線(xiàn)的子午定位和周向定位；④葉片截面的定義。
　　3.針對(duì)離心泵葉輪，以效率為目標(biāo)函數(shù)，以控制葉片積疊線(xiàn)周向定位的兩個(gè)參數(shù)α2和α3為優(yōu)化變量對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。為避免遺傳算法存在的早熟或陷入停滯現(xiàn)象等問(wèn)題，采用遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化變量在?3的約束范圍內(nèi)尋找最優(yōu)葉輪模型

6、。最終計(jì)算得：當(dāng)α2為-2.886，α3為1.31時(shí)葉輪的性能最優(yōu)。與原始葉輪相比，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，優(yōu)化后葉輪的效率較優(yōu)化前提高了4.02個(gè)百分點(diǎn)。
　　4.應(yīng)用fluent軟件對(duì)帶優(yōu)化葉輪的離心泵和帶原始葉輪的離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，得到優(yōu)化前后模型的外特性及流場(chǎng)狀況。分析后發(fā)現(xiàn)，在額定工況點(diǎn)，離心泵的效率較優(yōu)化前提升了4.41個(gè)百分點(diǎn)，但其他工況點(diǎn)性能提升不太明顯。對(duì)蝸殼中的相對(duì)損失分析后發(fā)現(xiàn)，在大流量區(qū)域，無(wú)論是帶優(yōu)化葉輪的蝸殼還