雙向軸流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)及內(nèi)流特性研究.pdf

1、葉輪機(jī)械內(nèi)部三維流場(chǎng)的非定常流動(dòng)機(jī)理及控制是學(xué)科研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一，雙向軸流泵作為兼顧排澇和灌溉的低揚(yáng)程泵站的主要“心臟”部件，多為采用傳統(tǒng)二元方法設(shè)計(jì)的S型葉片，存在正、反向運(yùn)行條件不同時(shí)能效較低的缺陷，反向時(shí)由于導(dǎo)葉起正預(yù)旋作用，且無(wú)后置導(dǎo)葉整流，其內(nèi)流結(jié)構(gòu)中的逆壓梯度變化、附面層分離、大尺度回流等特殊復(fù)雜流動(dòng)制約了綜合性能的提升，論文采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，圍繞非對(duì)稱翼型雙向軸流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、內(nèi)流機(jī)理及主/被動(dòng)流動(dòng)

2、控制技術(shù)、壓力脈動(dòng)特性等方面內(nèi)容開(kāi)展研究，取得如下成果：
　?。?）基于保角變換法提出了一種低拱度圓弧翼型雙向葉片設(shè)計(jì)方法，通過(guò)儒可夫斯基變換建立低拱度圓弧翼型正反向速度環(huán)量、理論揚(yáng)程的關(guān)系，通過(guò)改變?nèi)~柵幾何參數(shù)分配正反向性能，同時(shí)基于升力法設(shè)計(jì)常規(guī)S翼型雙向軸流泵開(kāi)展對(duì)比研究，系統(tǒng)對(duì)比了兩種翼型葉片雙向軸流泵的時(shí)均流場(chǎng)和壓力脈動(dòng)特性，通過(guò)在葉片、導(dǎo)葉表面網(wǎng)格上創(chuàng)建微小網(wǎng)格單元并監(jiān)測(cè)其平均壓力研究了 S翼型雙向軸流泵正反向運(yùn)行時(shí)葉

3、片、導(dǎo)葉表面的壓力脈動(dòng)變化規(guī)律，對(duì)比了正反向馬鞍區(qū)流動(dòng)特性及葉頂間隙流動(dòng)特性，開(kāi)展兩個(gè)模型正反向不同安放角下的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，圓弧翼型葉片吸力面尾緣附近流體質(zhì)點(diǎn)的徑向運(yùn)動(dòng)較小，進(jìn)出口邊脈動(dòng)幅值更低，正反向效率較S翼型模型分別高3.5％和1.3%；葉片表面壓力脈動(dòng)主要受導(dǎo)葉葉片數(shù)影響，主頻為導(dǎo)葉通過(guò)頻率，導(dǎo)葉表面壓力脈動(dòng)的主頻為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；小流量下，正向時(shí)在1~2、4~5倍轉(zhuǎn)頻，反向時(shí)在0~2倍轉(zhuǎn)頻出現(xiàn)了較強(qiáng)的低頻脈動(dòng)。
　　

4、（2）開(kāi)展雙向軸流泵導(dǎo)葉改型設(shè)計(jì)研究，建立了彎導(dǎo)葉雙向軸流泵反向運(yùn)行內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)模型，引入直導(dǎo)葉以降低反向時(shí)葉片吸力面大沖角入流，基于Q等值面法研究了直導(dǎo)葉內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)及其非定常演變規(guī)律，通過(guò)改變翼型降低流動(dòng)分離強(qiáng)度；分析了導(dǎo)葉—彎管相對(duì)位置變化對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，直導(dǎo)葉可消除反向時(shí)葉片前的正預(yù)旋，后置直導(dǎo)葉內(nèi)主要流動(dòng)損失由吸力面附面層分離及脫落渦引起，合理選擇翼型可以降低流動(dòng)分離強(qiáng)度；彎管會(huì)破壞上游流場(chǎng)的軸對(duì)稱分布，改

5、變導(dǎo)葉各葉片的沖角。
　?。?）構(gòu)建了同時(shí)包含葉片、流道幾何參數(shù)的軸流泵（風(fēng)機(jī)）參數(shù)化優(yōu)化平臺(tái)，改進(jìn)現(xiàn)有軸流葉片優(yōu)化方法，提出一種包含實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和速度梯度算法的軸流式葉片組合優(yōu)化方法，基于最優(yōu)拉丁超立方方法及序列二次規(guī)劃算法分別對(duì)葉片、流道進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)增大空間步長(zhǎng)加速收斂。較常規(guī)直接采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化正向效率分別提高了3.07%和0.87%，采用擴(kuò)散管減小了流道徑向壓差和流體周向旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)葉片和流道優(yōu)化后正向效率