離心泵葉片的參數(shù)化設(shè)計(jì)及其優(yōu)化研究.pdf

1、近年來,隨著流動計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,泵內(nèi)流動的模擬技術(shù)已經(jīng)得到了較快的發(fā)展,已經(jīng)不僅局限于單相、穩(wěn)態(tài)流動的計(jì)算,對于固液、汽液兩相流動及泵內(nèi)流動的瞬態(tài)特性的研究已成為當(dāng)前水力機(jī)械領(lǐng)域的熱點(diǎn),在該方面的研究也取得了相當(dāng)多的成績。但是對于水力機(jī)械葉輪的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化問題的研究進(jìn)展緩慢,主要還是因?yàn)樗C(jī)械內(nèi)部高度復(fù)雜的三維湍流流動,加上葉輪復(fù)雜的流道形狀難以參數(shù)化定義和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系等因素影響。本文的工作主要圍繞實(shí)現(xiàn)離心泵葉輪的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行。主

2、要的工作及創(chuàng)造性成果如下:
　　 1.提出了離心葉輪軸面的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,提出采用首、末控制點(diǎn)均三點(diǎn)共線的5控制點(diǎn)的4次Bezier曲線控制葉輪軸面形狀。采用微分方程生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法進(jìn)行葉輪軸面的離散,并進(jìn)行正交迭代。為生成近似正交的網(wǎng)格,在葉輪軸面的邊界上提出采用非線性分布函數(shù)控制軸面邊界上的節(jié)點(diǎn)分布,使得葉輪軸面生成的網(wǎng)格盡可能正交。將近似正交網(wǎng)格線看作是葉輪軸面流線及過水?dāng)嗝嫔删€,進(jìn)行葉輪軸面面積的檢查。
　　

3、 2.提出仍采用首、末控制點(diǎn)三點(diǎn)共線的5控制點(diǎn)的4次Bezier曲線來控制葉輪軸面前、后蓋板流線的平面投影。這樣就由有限個(gè)控制點(diǎn)確定了葉輪葉片的邊界形狀,實(shí)現(xiàn)了葉片邊界的參數(shù)化控制。
　　 3.提出采用偏微分方程曲面造型方法構(gòu)建葉片的骨面,這樣將離心泵葉片的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化成偏微分方程的邊值問題,數(shù)值求解微分方程的邊值問題即可實(shí)現(xiàn)離心泵葉片功能曲面的構(gòu)建,這樣只需要控制偏微分方程的邊界條件及微分方程中的參數(shù),即可達(dá)到控制葉片形狀的目

4、的,按照一定葉片加厚方式加厚葉片骨面即可得到葉片及葉輪的實(shí)體造型,實(shí)現(xiàn)離心泵葉片的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
　　 4.在實(shí)現(xiàn)離心泵葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出采用基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲面方法對離心葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對離心葉輪參數(shù)化控制的大量數(shù)值試驗(yàn)提出對離心葉輪進(jìn)行了二因素二階響應(yīng)面分析,采用現(xiàn)代流動計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)葉輪內(nèi)流的流動數(shù)值計(jì)算,由數(shù)值試驗(yàn)代替模型試驗(yàn),并對響應(yīng)面模型進(jìn)行了極值分析,得到了響應(yīng)面模型上的極大值點(diǎn),也即在二因素參數(shù)化控制

5、條件下葉輪的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
　　 5.考慮為了實(shí)現(xiàn)離心葉輪葉片的充分自由控制,提出增加葉片骨面各流線的相對位置關(guān)系(堆疊線)這一葉片形狀控制參數(shù)。在三因素的情形下采用二階、三階響應(yīng)面模型進(jìn)行分析時(shí),模型預(yù)測值與試驗(yàn)值均存在較大的誤差,為此提出采用高階偏微分方程超曲面數(shù)據(jù)建模方法,根據(jù)三因素組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制體邊界面上的試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)值,首先在邊界面上進(jìn)行樣條曲面插值,得到微分方程在邊界上的第一類邊界條件,然后根據(jù)控制體巾心節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)值