衬塑泵结构热固耦合分析及参数优化

发布时间：2018-11-19 21:41

【摘要】：衬塑泵在输送介质的过程中,其内的流体与叶轮之间存在着相互作用。衬塑泵在抽送热介质的过程中会产生热应力,使其发生热变形,叶轮与前泵盖间的间隙即叶轮前间隙发生变化。间隙过小,液体会使泵壳与叶轮因受热膨胀变形,在叶轮与前泵盖间引起摩擦,加剧叶轮的磨损;间隙过大,会在泵壳和叶轮间隙间产生回流,使容积效率降低。目前国内外大部分学者在对衬塑泵进行研究分析时,还未发现有人对其进行CFD内流场分析、流固耦合分析及热固耦合分析。为获得衬塑泵结构在热固耦合条件下的最佳结构组合参数,根据给定的性能参数,计算出各结构参数,对其进行建模,并对所建模型进行CFD流场分析;选择衬塑泵叶轮的进口安装角βb1、出口安装角βb2、包角φ、叶轮进口直径D1、出口直径D2为正交实验的五个因素,设计并完成正交实验,对正交实验进行极差分析,得出以效率和汽蚀余量作为评价指标下的组合参数;为得到衬塑泵在效率最大、汽蚀最小条件下的最佳结构组合参数,运用遗传算法对其进行结构参数优化;将所建模型导入到ANSYS Workbench中,对衬塑泵结构分别进行热固、流固、流热固耦合分析,分析得出其在各耦合场条件下的位移变形及应力分布情况;建立衬塑泵叶轮结构在多场耦合条件下的正交实验表,采用数值分析方法对正交实验结果进行极差分析,获得各结构参数在各评价指标条件下的影响情况及最佳组合参数;以叶轮的最小位移变形和最小应力为参考指标,运用综合加权评分法及田口算法对衬塑泵热固耦合分析结果进行参数优化;通过对耦合分析结果进行参数优化,得到了在位移最小及应力最小情况下的最佳组合参数;根据综合加权评分法优化得到的衬塑泵叶轮的参数组合,采用3D打印技术打印出实物模型,并对其性能进行水力性能实验,实验结果表明:随着衬塑泵流量的减小,其扬程值逐渐增加。通过对衬塑泵的流场、热结构场和固体场进行了多场条件下的耦合分析,可得到其在多场耦合条件下的位移及应力分布情况:叶轮的位移分布沿其中心轴呈逐步递增趋势,且最大位移变形发生在叶轮边缘处,最小位移位于叶轮中心轴处;可根据叶轮边缘的最大变形量来控制叶轮结构与蜗壳的间隙,这为衬塑泵结构的设计制造提供了参考依据;衬塑泵叶轮结构的最大应力集中部位位于叶轮中心轴处;其在热固耦合条件下的最大位移变形量为1.0629mm,最大等效应力为9.2606MPa;流固耦合条件下的最大变形量为0.77391mm,最大等效应力为5.8128MPa;流热固耦合条件下的最大变形量为1.7717mm,最大等效应力为10.31MPa;运用综合加权评分法和田口算法对衬塑泵结构进行参数优化,可以得到其在热固耦合作用下的最佳结构组合参数分别为:A3B1C3D4E2,即叶轮进口直径D1为76mm,出口直径D2为252mm,进口角βb1为26°,出口角βb2为32°,包角φ为105°;和A3B1C3D2E2,即当叶轮进口直径D1为76mm,出口直径D2为252mm,进口角βb1为26°,出口角βb2为24°,包角φ为105°时,衬塑泵叶轮的总位移变形和应力最小;对比分析发现两种参数优化方法得出的参数组合基本一致。
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【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH38

【参考文献】

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本文编号：2343501