低比轉(zhuǎn)速離心泵的多目標(biāo)優(yōu)化與湍流模擬方法研究.pdf

1、低比轉(zhuǎn)速離心泵被廣泛應(yīng)用于小流量、高揚(yáng)程的流體輸送場(chǎng)合。但由于傳統(tǒng)的速度系數(shù)設(shè)計(jì)方法難以完全適用于低比轉(zhuǎn)速的范圍，致使現(xiàn)有的低比轉(zhuǎn)速離心泵經(jīng)常存在效率低下、工作特性不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。本文以提升低比轉(zhuǎn)速離心泵性能和穩(wěn)定性為研究目的，以一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為17的立式管道泵為例，開(kāi)展低比轉(zhuǎn)速泵的CFD模擬、改型設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。
　　首先，以提高效率為目的對(duì)低比轉(zhuǎn)速管道泵進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，采用了長(zhǎng)短葉片的葉輪結(jié)構(gòu)，并重新設(shè)計(jì)了蝸殼。數(shù)值模擬結(jié)

2、果表明新的矩形蝸殼改善了定子與轉(zhuǎn)子的匹配性，減小了葉輪與蝸殼交界面明顯的靜壓降;新葉輪抑制了葉輪流道內(nèi)尾流的產(chǎn)生和發(fā)展，緩解了因慣性產(chǎn)生的軸向漩渦;最終的葉輪切割則在提高該泵水力效率基礎(chǔ)上又減小了圓盤(pán)摩擦損失。試驗(yàn)結(jié)果顯示各工況下改型泵的能耗都降低了2kW左右，并且在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)取得了4％以上的總效率提升。
　　其次，為進(jìn)一步提高低比轉(zhuǎn)速管道泵的性能，開(kāi)發(fā)一個(gè)針對(duì)葉輪幾何形狀優(yōu)化的多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)。它的兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)其一為泵入口靜壓

3、與葉輪內(nèi)的最小靜壓之差，其二為泵體所受扭矩和實(shí)際揚(yáng)程之比以及局部歐拉水頭分布曲線和其理想狀態(tài)的偏離兩者之間的加權(quán)值。開(kāi)發(fā)了葉輪幾何形狀的參數(shù)化模塊、基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)生成初始樣本的模塊、網(wǎng)格自動(dòng)生成和CFD模擬模塊、基于雙層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的近似模型模塊以及作為核心的多目標(biāo)全局優(yōu)化算法模塊等五個(gè)模塊，組成完整的多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)。經(jīng)該系統(tǒng)優(yōu)化后的泵不僅在抗氣蝕性能和水力效率上相比改型泵有了提升，同時(shí)也消除或抑制了一些我們所不期望的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。<

4、br>　　最后，為更深入地研究低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬方法，本文推導(dǎo)了一種新的局部時(shí)均化Realizablek-ε雙方程湍流模型，以用戶(hù)自定義函數(shù)的方式在Fluent軟件平臺(tái)上予以實(shí)現(xiàn)，并用于計(jì)算之前改型泵的內(nèi)部流動(dòng)，探討了網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以及局部時(shí)均化模型與普通雷諾時(shí)均化模型計(jì)算結(jié)果的異同，作為之前CFD數(shù)值模擬過(guò)程合理性和是否滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用所需精度的補(bǔ)充論述。
　　論文結(jié)果可為低比轉(zhuǎn)速離心泵的內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的數(shù)值模擬