基于響應(yīng)面法的雙流道泵多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(wèn)題是能耗高、噪音大且運(yùn)行不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)是影響泵性能的關(guān)鍵因素，所以開(kāi)展雙流道泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究勢(shì)在必行。本文立足于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于多目標(biāo)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(jìn)行深入分析，以提高泵的水力性能為目標(biāo)，應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)雙流道泵進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:<

2、br>　　一、葉輪流道結(jié)構(gòu)對(duì)雙流道泵性能的影響
　　根據(jù)雙流道泵的設(shè)計(jì)理論，對(duì)雙流道泵葉輪流道結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)三種葉輪流道結(jié)構(gòu)的泵進(jìn)行全流道、三維、定常湍流數(shù)值模擬，并對(duì)外特性及內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn):葉輪流道的結(jié)構(gòu)對(duì)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(wú)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的揚(yáng)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(wú)阻塞性較好，效率在三者中最高，但揚(yáng)程偏低有可能無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要。
　　二、隔舌間隙對(duì)雙流道泵內(nèi)流場(chǎng)及外特性的影響
　　針對(duì)不同的蝸殼隔舌間隙的雙流道泵，應(yīng)用大渦模擬方法對(duì)其進(jìn)行全流道、三維、非定常數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了隔舌附近靜壓分布、速度矢量、瞬時(shí)揚(yáng)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(dòng)靜干涉作用所引起的瞬態(tài)流

4、動(dòng)特性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):隔舌附近的壓力脈動(dòng)隨時(shí)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(dòng)峰值減小，且泵的效率提高，軸功率減小，因此適當(dāng)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
　　在滿(mǎn)足揚(yáng)程的設(shè)計(jì)要求下，以最高效率PE、高效區(qū)的相對(duì)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(biāo)函數(shù)，利用Phckett-B

5、urman試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)泵的12個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行因素篩選。非顯著因素保持固定值，次顯著因素應(yīng)用中心組合設(shè)計(jì)確定各因素優(yōu)水平，顯著因素采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合響應(yīng)面分析，獲得目標(biāo)函數(shù)與顯著因素性能預(yù)測(cè)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(biāo)函數(shù)的關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與CFD計(jì)算值吻合良好，且設(shè)計(jì)工況下相對(duì)誤差最小;優(yōu)化后泵的外特性和內(nèi)流場(chǎng)有不同程度的提高，且與原型泵試驗(yàn)結(jié)果相比最大誤差小于6.8％。因此，基于響應(yīng)面法的雙流道泵