基于響應面法的雙流道泵多目標優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、雙流道泵是一種葉輪結(jié)構(gòu)特殊的離心式污水泵，目前普遍存在的問題是能耗高、噪音大且運行不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)是影響泵性能的關(guān)鍵因素，所以開展雙流道泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究勢在必行。本文立足于國家自然科學基金資助項目“基于多目標遺傳算法的雙流道泵葉輪水力優(yōu)化模型研究”(No.51109094)，從改善泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，圍繞雙流道泵的內(nèi)流特性進行深入分析，以提高泵的水力性能為目標，應用響應面法對雙流道泵進行多目標優(yōu)化設(shè)計研究。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:<

2、br>　　一、葉輪流道結(jié)構(gòu)對雙流道泵性能的影響
　　根據(jù)雙流道泵的設(shè)計理論，對雙流道泵葉輪流道結(jié)構(gòu)進行研究，提出三種葉輪流道中線截面面積變化形式，采用RNG k-ε湍流模型和全隱式多網(wǎng)格耦合算法，對三種葉輪流道結(jié)構(gòu)的泵進行全流道、三維、定常湍流數(shù)值模擬，并對外特性及內(nèi)流場特性進行了分析。研究發(fā)現(xiàn):葉輪流道的結(jié)構(gòu)對雙流道泵的水力性能具有重要影響。其中，上圓弧式流道結(jié)構(gòu)泵，流道面積變化舒緩，流道無阻塞性得到改善，但水力效率較低;直線式

3、流道結(jié)構(gòu)泵滿足設(shè)計要求的揚程，有較高的水力效率;下圓弧式流道結(jié)構(gòu)的泵，其流有效體積增大，無阻塞性較好，效率在三者中最高，但揚程偏低有可能無法滿足實際需要。
　　二、隔舌間隙對雙流道泵內(nèi)流場及外特性的影響
　　針對不同的蝸殼隔舌間隙的雙流道泵，應用大渦模擬方法對其進行全流道、三維、非定常數(shù)值計算，對比分析了隔舌附近靜壓分布、速度矢量、瞬時揚程及葉輪-蝸殼所受徑向力的變化規(guī)律，揭示了雙流道泵受葉輪與蝸殼動靜干涉作用所引起的瞬態(tài)流

4、動特性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):隔舌附近的壓力脈動隨時間呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，主要是由葉頻(48.20 Hz頻率)引起的。隨著隔舌間隙數(shù)的增加，蝸殼及葉輪所受的徑向力脈動峰值減小，且泵的效率提高，軸功率減小，因此適當增大隔舌間隙數(shù)有利于改善泵的水力性能。
　　三、雙流道泵的多目標優(yōu)化設(shè)計研究
　　在滿足揚程的設(shè)計要求下，以最高效率PE、高效區(qū)的相對寬度HE、小流量區(qū)的功率穩(wěn)定性TE、瞬態(tài)徑向力最小值RF為目標函數(shù)，利用Phckett-B

5、urman試驗設(shè)計對泵的12個優(yōu)化設(shè)計變量進行因素篩選。非顯著因素保持固定值，次顯著因素應用中心組合設(shè)計確定各因素優(yōu)水平，顯著因素采用Box-Behnken試驗設(shè)計結(jié)合響應面分析，獲得目標函數(shù)與顯著因素性能預測參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。研究發(fā)現(xiàn):所建立的顯著因素與目標函數(shù)的關(guān)聯(lián)式的預測值與CFD計算值吻合良好，且設(shè)計工況下相對誤差最小;優(yōu)化后泵的外特性和內(nèi)流場有不同程度的提高，且與原型泵試驗結(jié)果相比最大誤差小于6.8％。因此，基于響應面法的雙流道泵