基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计

发布时间：2017-03-17 10:07

  本文关键词：基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,中低比转速离心泵广泛应用于煤油、石油、化工等多个领域,但普遍存在效率不高问题。然而,由于全球能源日益紧缺,因此提高离心泵效率,降低研究成本迫在眉睫。近年来,随着CFD技术的发展,对于叶片机械内流场三维粘性的数值分析,已经相对成熟,且取得了很大的成效。为扩大CFD技术的应用范围,再不能仅仅局限于对离心泵内部流场的研究和分析,而要与优化算法相结合来提高离心泵的效率、减小流动损失。本文结合CFD技术对离心泵进行了优化,以实现提高离心泵效率的目标。叶轮作为离心泵能量交换的最主要部分,对其直接采取水力优化不仅可节约资源而且同样可达到离心泵优化的要求。文章针对中低比转速离心泵的结构特点,以水力效率为目标,结合遗传算法对KQNW200/400-75叶轮展开研究。本文主要内容和研究成果如下:1.为了得到水力效率最优模型,本文针对中低比转速离心泵性能和叶轮的特点,采用损失极值的优化方法来建立以损失极值为目标的优化模型,通过泵各性能参数以及叶轮水力参数之间的相互制约来设定约束条件。运用MATLAB遗传算法工具箱对模型各出口几何参数进行全局寻优,得到最佳的参数组合。再对优化后的参数组合进行重新水力设计得到新模型叶轮,最后对优化前后的叶轮进行整机模拟(相同计算模型),并借助优化前已有实验性能参数来进行模拟结果的误差分析,得到优化后的离心泵模拟值较优化前扬程提高了3.85m,约提高了7.9%,效率提高了2.83个百分比,约提高了3.5%。对比优化前后叶轮在中间截面上的压力云图和速度流线图,可以看出流道内流动较优化前平缓过渡,漩涡明显改善。2.为了研究出口宽度对离心泵性能的影响,分别对优化后叶轮出口宽度b2在一定范围内取值为b2±1mm、b2+3mm,对叶轮重新建模,网格划分,整机模拟多个工况点性能曲线。针对新模型在0.8Q,1.0Q,1.2Q三个工况点进行叶轮和蜗壳内流场分析,得到出口宽度在一定范围内的变化对离心泵性能影响不大。用同样的数值流动模型对叶片数变化对离心泵性能的影响进行预测,得到离心泵叶轮内流体随着叶片数的增加其受到作用力和约束越大,而导致其扬程增大。叶片数太小,离心泵叶轮进口处将存在漩涡,且对应的静压较低,而叶片数过多则会导致损失增大,易发生汽蚀等现象,从而导致扬程、效率曲线曲率变化较大,运行不稳定等现象。
【关键词】：离心泵 叶轮 优化设计 遗传算法 数值模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究背景及意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-15
• 1.3.1 离心泵设计研究现状11-12
• 1.3.2 离心泵优化设计研究现状12-15
• 1.4 研究内容及方法15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 泵内部流场计算及分析17-33
• 2.1 计算模型及网格划分17-21
• 2.1.1 叶轮三维实体建模17-18
• 2.1.2 蜗壳实体建模18-19
• 2.1.3 离心泵整机三维实体模型19
• 2.1.4 离心泵三维实体模型的网格划分19-21
• 2.2 数学模型的建立21-28
• 2.2.1 流体力学控制方程21-24
• 2.2.2 湍流数值模拟理论及方法24-26
• 2.2.3 两方程模型（k-ε）26-27
• 2.2.4 流动方程的数值离散27-28
• 2.2.5 流场数值计算的主要方法28
• 2.3 边界条件的设置28-29
• 2.3.1 进口边界条件28-29
• 2.3.2 出口边界条件29
• 2.3.3 壁面以及交界面条件29
• 2.4 性能预测29-30
• 2.5 模拟结果分析30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 离心泵叶轮参数优化33-48
• 3.1 优化算法33-35
• 3.1.1 遗传算法简介33-34
• 3.1.2 遗传算法的特点34
• 3.1.3 遗传算法的实现34-35
• 3.2 优化设计方案35-39
• 3.2.1 建立优化模型35-37
• 3.2.2 约束条件37
• 3.2.3 遗传算法优化的实现37-39
• 3.3 优化前后内流场分析39-46
• 3.3.1 叶轮内流场分析40-43
• 3.3.2 蜗壳内流场分析43-46
• 3.4 优化前后性能曲线对比46
• 3.5 本章小结46-48
• 第四章 叶轮出口几何参数对离心泵性能的影响48-64
• 4.1 叶轮的特性方程48-49
• 4.2 叶轮出口宽度对泵性能的影响49-58
• 4.3 叶片数Z对离心泵性能的影响58-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 1.结论64-65
• 2.工作展望65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 附录A 攻读硕士学位期间取得的科研成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王欣;杨洪海;张总辉;杨丰畅;叶志秦;;小型吸收式制冷热虹吸泵的正交试验设计[J];流体机械;2015年07期

2 邢树兵;朱荣生;朱冬欣;龙云;贺博;曹梁;;基于正交试验的轴流泵优化设计[J];中国农村水利水电;2015年01期

3 杨勇;蒋文萍;杨昆;陈小东;胡铁刚;谢蓉;龚路远;;基于CFD的汽车水泵优化设计[J];排灌机械工程学报;2014年06期

4 赵万勇;王磊;赵爽;王钊;杨登峰;;基于CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法[J];兰州理工大学学报;2013年02期

5 郭建平;高忠信;覃大清;邢海仙;;高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计[J];排灌机械工程学报;2013年03期

6 王凯;吴贤芳;陈新响;周孝华;;离心泵多工况能量损失系数修正方法[J];中国农村水利水电;2013年02期

7 王凯;刘厚林;袁寿其;吴贤芳;王勇;;离心泵多工况水力性能优化设计方法[J];排灌机械工程学报;2012年01期

8 周岭;施卫东;陆伟刚;许荣军;王川;;井用潜水泵导叶的正交试验与优化设计[J];排灌机械工程学报;2011年04期

9 李胜忠;赵峰;杨磊;;基于CFD的翼型水动力性能多目标优化设计[J];船舶力学;2010年11期

10 刘瑞江;张业旺;闻崇炜;汤建;;正交试验设计和分析方法研究[J];实验技术与管理;2010年09期

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 高海鹏;基于二元设计新理念的贯流转轮优化设计[D];华南理工大学;2013年

2 唐卫卫;离心水泵的优化设计及其仿真[D];西北农林科技大学;2011年

3 吕秀丽;离心泵内部三维流场数值模拟研究[D];辽宁工程技术大学;2009年

4 任雄;基于SIMPLE算法的三维湍流流场数值模拟方法的研究[D];西北工业大学;2007年

5 韩冰冰;三维湍流流场数值计算方法的研究[D];西北工业大学;2006年

6 田延硕;遗传算法的研究与应用[D];电子科技大学;2004年

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