导叶式混流泵变工况内流数值模拟及鲁棒优化设计研究

发布时间：2020-07-07 12:13

【摘要】：混流泵作为一种综合了离心泵和轴流泵优点的泵型,具备扬程变化范围大、高效区宽等优点,具有良好的应用前景。但就其叶片设计而言,目前尚未形成一套成熟完善、可遵循的设计准则。且在已有的对混流泵的优化设计中用到最多的是确定性的单点优化,也有少量的多点优化,这些优化均未考虑像工况参数随机波动等不确定因素的影响,致使传统优化的结果仅在某个特定的离散工况点下是最优的。当工作条件发生随机变化时,泵的性能就可能会急剧恶化,不能满足稳定性及节能降耗的要求。因此,基于上述存在的不足,建立一种新的优化数学模型并开展将不确定因素考虑在内的混流泵优化设计研究,以得到更接近于实际的鲁棒最优解,具有重要的意义。本文以上海某泵企中一比转速为520.17的导叶式混流泵为研究对象,对其开展了一种新颖的鲁棒优化设计研究。主要的研究工作及结论如下:1.原始导叶式混流泵变工况条件下内流场的数值模拟计算。首先,依据设计得到的原始混流泵的结构参数,对其进行了三维建模、结构网格划分及网格无关性检验;其次,基于CFD计算和泵企中对该实体泵的实验数据,完成了三种湍流模型间的对比与选取工作;最后,依据上述确定好的数值模拟方法,对0.8Q_N、1.0Q_N、1.2Q_N和1.4Q_N工况条件下泵内的流场特性进行对比分析。研究表明:当泵在偏离最佳工况点运行时,工况参数的变化会加剧泵内不良流动的发生,造成泵内流体流动不稳定及较大的能量损耗,且会使泵在工作中性能降低的同时也表现出极度不稳定性。2.鲁棒优化数学模型的建立和实验验证。首先,在对鲁棒优化问题及鲁棒性的概念进行介绍的基础上,提出了一种新的鲁棒性评价方式并对其定义进行了数学描述。其次,针对工况参数在一定区间中发生随机不确定波动的情形,建立了一种鲁棒优化数学模型。为无限逼近鲁棒优化指标,在建模过程中将优化问题分解为了鲁棒子优化和最优子优化问题。最后,基于该鲁棒优化数学模型,在对791翼型的水动力性能指标进行不确定分析的基础上,对翼型的形状进行了优化,并将优化结果进行了数值模拟和水洞PIV实验验证。研究表明:数值模拟结果与实验结果高度吻合,由此可知优化结果是正确的,所构建的鲁棒优化数学模型也是合理可靠的。3.混流泵叶轮鲁棒优化设计中优化目标与优化变量间代理模型的建立。首先,基于叶片二元设计理论,选取控制速度矩变化规律的一无量纲四次多项式中的3个参数作为优化变量,来间接控制叶片的形状;其次,将上述建立好的鲁棒优化数学模型运用到混流泵叶轮的优化设计中,并以此确定了优化目标;最后,结合均匀试验设计法、CFD计算和不确定分析,构建了目标与变量间的三种代理模型,并在给出模型预测效果评价准则的基础上,对比分析了三种模型的预测能力。研究表明:RSM代理模型具有更好的预测精度,可将其作为下文寻优操作中的适应度评判函数。4.混流泵叶轮鲁棒优化设计中的多目标遗传算法寻优计算。首先,在对多目标优化问题和多目标遗传算法介绍的基础上,给出了混流泵叶轮鲁棒优化的具体流程图;其次,将RSM代理模型与多目标遗传算法进行组合,基于MATLAB平台在可行解空间中寻找鲁棒最优解。最后,将优化前后混流泵的性能进行了对比分析。研究表明:本文所构建的鲁棒优化数学模型对在不确定环境中运行的混流泵同样具有良好的优化效果,其可以同时提高泵在变工况条件运行过程中水力性能、内流场的最优性和稳定性,且使其受工况参数变动的影响程度减弱。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH313
【图文】：

木模图,导叶,混流泵,叶轮

（b）导叶木模图图 2.1 原始混流泵叶轮和导叶木模图Fig. 2.1 The sketch of the original impeller and guide vane 模型建立及网格划分.1 计算域建立进口段导叶段叶轮段出口段图 2.2 原始导叶式混流泵计算域Fig. 2.2 Calculation region of the original mixed-flow pump

导叶式混流泵,计算域,木模图,导叶

（b）导叶木模图图 2.1 原始混流泵叶轮和导叶木模图Fig. 2.1 The sketch of the original impeller and guide vane建立及网格划分域建立

示意图,结构网格,计算域,示意图

(d) 出口段网格图 2.3 计算域各部分结构网格示意图Fig. 2.3 Structured mesh of each computational domain度对数值计算结果有较大影响，只有当网格数的增加对计算结为此时数值模拟计算的结果是有意义的。因此，本文对 6 种不

【参考文献】