低比转速离心泵的多目标优化与湍流模拟方法研究

发布时间：2017-08-15 08:02

  本文关键词：低比转速离心泵的多目标优化与湍流模拟方法研究

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【摘要】：低比转速离心泵被广泛应用于小流量、高扬程的流体输送场合。但由于传统的速度系数设计方法难以完全适用于低比转速的范围,致使现有的低比转速离心泵经常存在效率低下、工作特性不稳定等缺点。本文以提升低比转速离心泵性能和稳定性为研究目的,以一台比转速为17的立式管道泵为例,开展低比转速泵的CFD模拟、改型设计和多目标优化设计研究。首先,以提高效率为目的对低比转速管道泵进行了改型设计,采用了长短叶片的叶轮结构,并重新设计了蜗壳。数值模拟结果表明新的矩形蜗壳改善了定子与转子的匹配性,减小了叶轮与蜗壳交界面明显的静压降；新叶轮抑制了叶轮流道内尾流的产生和发展,缓解了因惯性产生的轴向漩涡；最终的叶轮切割则在提高该泵水力效率基础上又减小了圆盘摩擦损失。试验结果显示各工况下改型泵的能耗都降低了2kW左右,并且在设计工况点取得了4%以上的总效率提升。其次,为进一步提高低比转速管道泵的性能,开发一个针对叶轮几何形状优化的多目标优化系统。它的两个优化目标函数其一为泵入口静压与叶轮内的最小静压之差,其二为泵体所受扭矩和实际扬程之比以及局部欧拉水头分布曲线和其理想状态的偏离两者之间的加权值。开发了叶轮几何形状的参数化模块、基于实验设计生成初始样本的模块、网格自动生成和CFD模拟模块、基于双层前馈人工神经网络方法的近似模型模块以及作为核心的多目标全局优化算法模块等五个模块,组成完整的多目标优化系统。经该系统优化后的泵不仅在抗气蚀性能和水力效率上相比改型泵有了提升,同时也消除或抑制了一些我们所不期望的流动结构。最后,为更深入地研究低比转速离心泵内部流动的数值模拟方法,本文推导了一种新的局部时均化Realizable k-ε双方程湍流模型,以用户自定义函数的方式在Fluent软件平台上予以实现,并用于计算之前改型泵的内部流动,探讨了网格对计算结果的影响,以及局部时均化模型与普通雷诺时均化模型计算结果的异同,作为之前CFD数值模拟过程合理性和是否满足工业应用所需精度的补充论述。论文结果可为低比转速离心泵的内部复杂流动的数值模拟与过流部件优化设计提供参考。
【关键词】：低比转速离心泵 数值模拟 多目标优化 湍流模型 局部时均化模型
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要变量和符号表12-15
• 1 引言15-24
• 1.1 课题背景与意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-22
• 1.2.1 低比转速离心泵研究现状16-18
• 1.2.2 流体机械优化研究现状18-20
• 1.2.3 局部时均化湍流模型研究现状20-22
• 1.3 研究内容和目标22-24
• 2 低比转速离心泵的改型24-39
• 2.1 模型管道泵介绍25-28
• 2.2 CFD数值模拟手段28-29
• 2.3 改型研究29-33
• 2.3.1 重新设计蜗壳29-31
• 2.3.2 添加偏置短叶片31
• 2.3.3 切割叶轮31-33
• 2.4 实验结果验证33-39
• 3 基于近似模型与智能算法的多目标优化39-62
• 3.1 优化系统39-55
• 3.1.1 目标函数与约束39-42
• 3.1.2 叶轮几何形状的参数化表示42-47
• 3.1.3 DOE方法的应用与参数的选择47-48
• 3.1.4 CFD数值模拟过程的自动化48-51
• 3.1.5 近似模型的建立51-52
• 3.1.6 多目标优化遗传算法52-55
• 3.2 优化结果55-62
• 3.2.1 全局帕累托最优解55-57
• 3.2.2 CFD验证结果分析57-62
• 4 局部时均化湍流模型的应用62-78
• 4.1 Realizable PANS湍流模型的理论推导62-68
• 4.2 Realizable PANS湍流模型的应用68-78
• 4.2.1 网格依赖性68-69
• 4.2.2 流场结果对比69-78
• 5 总结与展望78-81
• 5.1 总结78-79
• 5.2 展望79-81
• 参考文献81-86
• 附录86-90
• 致谢90-91
• 作者简历91-92
• 发表文章目录92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 BING Hao;CAO ShuLiang;;Multi-parameter optimization design, numerical simulation and performance test of mixed-flow pump impeller[J];中国科学:技术科学(英文版);2013年09期

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本文编号：677036