离心泵多工况实验设计方法改善研究

发布时间：2017-03-18 10:05

  本文关键词：离心泵多工况实验设计方法改善研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：实验设计(Design of Experiment,DOE)是一种安排实验和分析试验数据的数理统计方法,在泵水力模型设计过程中,通过实验设计方法能够建立设计目标与叶轮几何参数之间的数学模型,通过对数学模型求解,可以得到满足多工况设计要求的叶轮几何参数的定量解。采用数值模拟进行泵的性能预测和优化,再进行试验验证的方法已经得到广泛采用。因此,实验设计安排的实验方案采用数值模拟的方法进行性能预测。但是,数值模拟对泵在小流量、大流量工况下的性能预测通常会存在误差,致使通过实验设计方法建立的数学模型不准确,因此数值模拟的准确性对泵性能预测及建立准确的数学模型有重要意义。同时,数学模型建立的过程中,因子的选择、因子的水平数、因子间的交互效应等对数学模型准确性也存在重要影响。当数学模型中自变量因子较复杂及设计目标较多时,直接求解数学模型得到叶轮几何参数的取值将会变得非常困难。本文对以上存在的问题进行了研究。本文主要研究内容如下:1)基于实验设计方法,对具有3个扬程设计要求的特种多级泵叶轮水力模型进行了多工况设计。建立了泵在0.3QBEP、QBEP、1.2QBEP流量下扬程与叶轮几何主要参数之间的数学模型,根据数学模型及叶轮几何参数对性能的影响规律,对设计的叶轮进行优化,并对最优叶轮的水力性能进行了试验验证。对设计过程中存在的问题进行了分析,由于泵扬程预测数值模拟及所建立的数学模型不够准确,致使设计的叶轮在QBEP、1.2QBEP流量下未能达到设计要求。2)通过湍流模型的选择,开展了不同湍流模型对泵扬程性能预测准确性研究。介绍了雷诺应力类、涡粘性类湍流模型具有的特点、适用条件及在泵性能预测中存在的不足。研究雷诺应力类与涡粘性类湍流模型对泵扬程进行性能预测时之间存在的区别及其适用性;针对泵在不同流量下,如何选择有效的湍流模型,以使扬程性能预测结果更准确,提出了选择方法,并进行了实例验证。3)通过3因子3水平完全析因实验与3因子2水平完全析因实验进行对比的方法对提高数学模型准确性的方法进行研究,并对数学模型的准确性进行了实验验证。主要研究了在数学模型建立的过程中,模型的建立方法、因子的选择、因子间的交互效应等对数学模型准确性的影响。4)在mode FRONTIER优化设计平台基础上,结合DOE方法建立的数学模型,进行泵的多工况优化设计。以模型泵SM73-70满足3个扬程设计要求为例,通过对数学模型中的叶片数、出口宽度、出口角进行自动赋值,以设计要求作为约束条件,对结果进行了自动筛选,得到了满足设计要求的叶轮几何参数。
【关键词】：泵 扬程 多工况设计 湍流模型 性能预测 数学模型 叶轮 几何参数
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 多工况设计方法的研究12-13
• 1.2.2 数值模拟过程中湍流模型的研究13-15
• 1.2.3 叶轮几何参数对泵性能的影响15-16
• 1.3 本文研究内容16-18
• 第二章 基于实验设计（DOE）的特种多级泵水力模型设计18-27
• 2.1 实验设计设计原理18-19
• 2.1.1 计划实施阶段18
• 2.1.2 数据分析阶段18
• 2.1.3 求解阶段18-19
• 2.1.4 叶轮设计及性能验证阶段19
• 2.2 基于速度系数法的水力模型设计过程19-21
• 2.2.1 叶轮进口主要参数的计算19-20
• 2.2.2 叶轮出口主要参数的计算20-21
• 2.2.3 泵性能参数的计算21
• 2.3 基于实验设计（DOE）的叶轮水力设计21-26
• 2.3.1 设计要求22
• 2.3.2 响应变量的确定22
• 2.3.3 自变量因子的确定22-23
• 2.3.4 实验安排及模拟实验结果23
• 2.3.5 数学模型建立23-24
• 2.3.6 叶轮重新设计及性能预测结果24-26
• 2.4 讨论26
• 2.5 小结26-27
• 第三章 湍流模型对离心泵扬程预测准确性的影响27-42
• 3.1 涡粘性类湍流模型27-28
• 3.2 雷诺应力类湍流模型28-29
• 3.3 涡粘性类、雷诺应力类湍流模型之间的区别29
• 3.4 不同湍流模型对扬程预测准确性的影响29-39
• 3.4.1 研究方案30
• 3.4.2 数值模拟30-31
• 3.4.3 网格划分及无关性检查31-32
• 3.4.4 模型的模拟值与试验值的对比分析32-39
• 3.5 湍流模型准确性试验验证39-41
• 3.5.1 数值模拟过程中残差对数据读取的影响39
• 3.5.2 湍流模型选择的试验验证39-41
• 3.6 小结41-42
• 第四章 DOE方法数学模型准确性研究42-52
• 4.1 扬程与叶轮几何参数之间数学模型的建立及其准确性研究42-47
• 4.1.1 变量的选取42-43
• 4.1.2 实验安排43-44
• 4.1.3 实验结果44
• 4.1.4 3因子3水平数实验设计数学模型44-46
• 4.1.5 3因子2水平数实验设计数学模型46-47
• 4.2 数学模型准确性实验验证47-49
• 4.2.1 几何参数的选取47-48
• 4.2.2 预测结果分析48-49
• 4.3 叶片数、出口安放角、出口宽度对流量-扬程曲线的影响49-51
• 4.3.1 叶片数对流量-扬程曲线的影响49-50
• 4.3.2 叶片出口角对流量-扬程曲线的影响50
• 4.3.3 出口宽度对流量-扬程曲线的影响50-51
• 4.4 小结51-52
• 第五章 mode FRONTIER多目标优化平台的应用52-58
• 5.1 mode FRONTIER多目标优化简述52-54
• 5.1.1 界面52
• 5.1.2 节点功能52-53
• 5.1.3 运行窗口53
• 5.1.4 数据处理窗口53-54
• 5.2 mode FRONTIER的应用过程54-57
• 5.2.1 模型建立54-56
• 5.2.2 Run Logs 窗口56-57
• 5.2.3 Designs Space 窗口57
• 5.3 小结57-58
• 第六章 总结与展望58-62
• 6.1 总结58-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 作者攻读硕士学位期间取得的相关科研成果68

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