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

1、低比轉(zhuǎn)速離心泵被廣泛應用于小流量、高揚程的流體輸送場合。但由于傳統(tǒng)的速度系數(shù)設計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。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，以一臺比轉(zhuǎn)速為17的立式管道泵為例，開展低比轉(zhuǎn)速泵的CFD模擬、改型設計和多目標優(yōu)化設計研究。
　　首先，以提高效率為目的對低比轉(zhuǎn)速管道泵進行了改型設計，采用了長短葉片的葉輪結(jié)構(gòu)，并重新設計了蝸殼。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上又減小了圓盤摩擦損失。試驗結(jié)果顯示各工況下改型泵的能耗都降低了2kW左右，并且在設計工況點取得了4％以上的總效率提升。
　　其次，為進一步提高低比轉(zhuǎn)速管道泵的性能，開發(fā)一個針對葉輪幾何形狀優(yōu)化的多目標優(yōu)化系統(tǒng)。它的兩個優(yōu)化目標函數(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際揚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。開發(fā)了葉輪幾何形狀的參數(shù)化模塊、基于實驗設計生成初始樣本的模塊、網(wǎng)格自動生成和CFD模擬模塊、基于雙層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法的近似模型模塊以及作為核心的多目標全局優(yōu)化算法模塊等五個模塊，組成完整的多目標優(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，同時也消除或抑制了一些我們所不期望的流動結(jié)構(gòu)。<

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