基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析

为对废泵进行利用,在现有蜗壳的基础上设计新的高效低噪叶轮。结合叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数4个因素,按照L9(34)正交试验方案设计9个叶轮,将其与现有蜗壳配套成9台泵,采用Fluent软件对泵进行数值模拟,分析离心泵内流场和外特性,并对满足设计扬程要求的泵进行稳定性分析。结果表明:4号泵(叶轮外径为246.2 mm,叶片出口角27.35°,叶片包角110°,叶片数7)效率最高,轴功率最小并且内流场和稳定性表现都较为优秀;因素分析表明:出口角对离心泵效率的影响最大,包角对离心泵轴功率、扬程和叶轮扭矩的影响最大。     

叶片包角对组合叶轮离心泵工作特性的数值研究

为了获得某型组合式叶轮航空燃油离心泵不同叶片包角下的工作特性,对其内流场特性进行数值模拟研究。分别采用定点法和曲线拟合法建立了组合式叶轮的三维模型;利用Pump Linx软件对泵的内流场和出口工作压力特性进行数值仿真计算;在进行样机试验验证数值模拟方法准确性的基础上,基于原包角参数设计基础上增大和减小叶片包角下,进行离心泵的内流场及压力特性研究。仿真结果表明:随着包角增大,叶轮流道内摩擦力的升高导致离心泵增压能力下降;而叶片包角减小,叶轮出口相对速度液流角增大,对泵的增压能力产生积极作用。在叶轮基本外尺寸确定的情况下,必定存在使得泵性能最优的叶片包角,所给出数值模拟方法可用于指导离心泵的工程设计与优化。     

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的低比转速离心泵多目标寻优

为了提高低比转速离心泵的水力效率和扬程,选取比转速为30的某一低比转速离心泵为研究对象,以离心泵的扬程和水力效率最大值作为优化目标,采用离心泵基本方程与Plackeet-Burman试验相结合的方法进行参数筛选,最终选取离心泵叶轮的叶片出口安放角、叶片包角和叶片出口宽度作为优化变量.在优化过程中,采用最优拉丁超立方设计方法安排了30组试验,利用RBF神经网络模型拟合出优化目标与变量之间的近似模型,并运用基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优.优化结果表明:优化后的叶轮扬程基本没有变化,水力效率提高了5.82%,消除了流量-扬程曲线的驼峰现象,使离心泵的运行更加稳定;优化后叶轮流道内的压力梯度减小,漩涡的发生区域及大小也有不同程度的改善;叶轮流道内湍流区域分布均匀,叶片做功能力增强,水力效率得到提高.     

叶片型线对离心黏油泵性能的影响

针对目前离心油泵的叶片绘型未考虑黏度因素影响的情况,采用FLUENT6.1软件通过数值计算方法研究泵送温度下运动黏度为1、24、60mm2/s 3种黏度的介质在包角分别为90°、110°、130°3种叶片型线对离心泵性能的影响.结果表明:随着叶片包角增大,扬程-流量曲线变得陡峭,相同流量下,泵扬程降低,且此特性与介质黏度无关;设计工况下,130°包角泵输水时的效率最高,而110°包角泵在最优工况下输黏油时效率最高;采用不同黏度的介质时,离心泵内部压力和速度分布与采用清水介质得到的规律基本一致.     

基于正交试验的离心泵空化性能优化设计

针对当前离心泵在使用过程中抗空化性能差的问题,在现有IH80-50-250型化工离心泵的基础上,建立以泵汽蚀余量为目标函数的优化数学模型,采用正交试验对离心泵进行优化设计。基于L_(16)(4~5)正交表,选取叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶片进口安放角、叶片出口安放角和叶片包角5个参数制定出16组正交试验方案。使用计算流体动力学技术对16组离心泵模型进行流场模拟,采用极差分析得到各参数对优化指标的影响顺序,并获得一组最优方案。采用Pump Linx软件模拟得到原型泵与优化泵在不同工况下的泵汽蚀余量以及在额定转速下离心泵的蒸汽质量分数,对比结果表明,优化泵的泵汽蚀余量和蒸汽质量分数分别降低了28.87%和21.02%,提高了离心泵的抗空化能力,验证了正交试验方法的可行性和准确性,为离心泵的优化设计提供了参考。     

包角对中转速比离心泵流场及压力脉动的影响

为了研究叶片包角对中转速比离心泵性能的影响,以转速比为129的中转速比离心泵为研究对象,在确保叶轮其他设计参数恒定的同时,设计了90°、100°、110°、120°、130°5种包角的叶轮。运用Fluent仿真软件非定常数值模拟计算得到不同包角情况下泵外部特性曲线及叶轮内部压力和速度分布云图,通过测量水泵蜗壳及叶轮内7个监测点压力的数据得到离心泵压力脉动特性。研究结果表明:水泵扬程及效率随叶片包角的增大均有所降低且效率最高点向小流量方向偏移,包角增至130°时相比90°包角,扬程降低13%,效率降低5.2%;随着包角的增大,叶片进口低压区增多,出口高压区减少,叶轮内低速区减少,出口速度增大;额定流量下,蜗壳内压力脉动主频约为一倍叶频,流道内压力脉动主频约为一倍转频,各监测点压力脉动幅值随包角增大整体呈上升趋势。于是,综合考虑选取120°作为中转速比离心泵包角最优取值。探究叶片包角对中转速比离心泵内部流场及压力脉动影响规律,可为中转速比离心泵水力优化提供理论支持。     

RBF神经网络与遗传算法的离心泵优化设计

针对学习速度较慢且收敛性差的优化算法,提出用学习速度快且逼近能力强的径向基神经网络与遗传算法相结合的设计方法提高离心泵叶轮的效率.通过拉丁超立方试验设计方法对叶片出口安放角、出口宽度及包角进行设计.选取效率及扬程最优为优化目标,建立影响因素与优化目标之间的代理模型,运用遗传算法对模型进行寻优,得到最优的叶片参数.取优化后的叶片参数进行CFX数值模拟计算,优化后的叶轮在相同工况下效率与扬程分别提高了3.87%和4.25%,且优化后叶轮内部流场更均匀,水利损失较小,可对泵性能的提高提供有效参考.     

叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵性能的影响

以超低比转速离心泵水力模型M23-12.5为研究对象,借助流体动力计算的数值模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,在保证叶轮叶片数不变的前提下,通过改变影响叶轮流道扩散度的两个重要因素,即叶片包角和叶片出口排挤系数,来比较分析不同叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵外特性参数和内部流场分布的影响.研究结果表明,叶片包角的增大和叶片出口排挤系数减小(叶片厚度变大)都会减小叶轮流道的扩散度,从而减小离心泵的轴功率,提高效率.过大的叶片包角会增大液体与叶片的接触面积,进而增大摩擦损失,使得轴功率增大,效率降低.该结论将为超低比转速离心泵的设计提供参考.     

基于神经网络预测液力透平压头和效率

建立BP和GA-BP神经网络预测离心泵反转作液力透平的压头和效率.用63台离心泵作透平的参数作为训练两个网络的样本,以泵的叶轮出口直径、叶片包、出口宽度、出口安放角、叶片数和比转速作网络输入层,透平压头和效率作输出层.用6组样本外的数据测试经训练后的两个网络的预测能力,并做网络预测值与试验值的相关性和线性回归分析.结果表明,BP网络对压头和效率预测的平均误差为5.33%和0.86%,GA-BP网络对压头和效率预测的平均误差为3.56%和0.46%.GA-BP网络预测精度高,预测结果与实验值相关性强,预测所用时间为BP网络的1/3,更适合做泵反转作液力透平的性能预测.     

基于高维混合模型与遗传算法的离心泵叶片优化

提出了一种基于机器学习的高维混合模型用于离心泵的叶片优化方法.选用一台低比转速离心泵,以离心泵叶轮叶片为研究对象,通过对叶片型线拟合分离多变量参数,利用支持向量机的高维表示方法,结合计算流体动力学软件,经过对训练集的机器学习,构建了离心泵叶片型线优化的代理模型.依据遗传算法求解离心泵多变量代理模型,预测了离心泵效率最高点及在该点时的叶片型线几何参数.运用数值模拟和试验研究的方法验证了预测数据,结果表明:数值模拟性能曲线与试验结果大体相符;在设计工况点,经代理模型优化后的数值模拟效率值较原型泵提高了2.61%,扬程提升了0.82 m,试验效率值较原型泵提高了2.1%,扬程提升了0.75 m.     

叶片包角对离心泵流场及脉动特性的影响

针对离心泵非定常流动压力脉动特性,采用滑移网格的大涡模拟技术对叶片包角分别为95°,100°,105°,108°的4副叶轮进行数值模拟.分析了叶片包角对离心泵水力性能、叶轮出口"射流-尾迹"、测点压力脉动频谱特性和叶轮径向力的影响关系.结果表明:随着包角的增大,离心泵的水力性能下降;包角适当增大,会使叶轮射流-尾迹流动结构变弱.在设计工况下,蜗舌附近测点压力脉动最大;在蜗壳螺旋段压力脉动强度沿流动方向逐渐变弱,而在叶轮流道内压力脉动沿流动方向逐渐增强,在叶轮出口处达到最大;而离心泵叶轮所受径向力随着包角的增大而减小,适当地增大包角可以提高离心泵运行的可靠性.     

离心泵叶轮的优化设计

论述了以泵的能量损失最小为目标函数 ,以叶轮叶片出口宽度、出口角、直径为设计变量的泵叶轮的优化设计模型及优化计算方法 通过优化 ,获得了满足一定扬程和流量的最优参数组合     

叶片包角对恒扬程泵性能的影响

为了研究叶片包角对恒扬程泵性能的影响规律,设计了6种不同包角叶片的叶轮,基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型进行了定常数值计算,并对计算结果进行了实验验证.结果表明,在切断流量之前泵的扬程随包角的增大而减小,0°包角时泵的扬程最大,15°、30°、45°包角时泵的扬程基本相等,60°包角时泵的扬程最小,75°包角时泵的扬程随流量的增大线性减小.叶片包角对泵的效率具有较大影响,泵的效率在任一包角随着流量的增大先增大后减小.在切断流量附近,效率达到最大值;切断流量之前,效率随包角的增大而增大;切断流量之后,包角越大,效率随流量增大而减小得越快.     

改进离散型遗传算法在离心泵性能优化中的应用

针对离心泵性能优化中设计参数多且优化周期长的问题,提出了适用于离散变量优化的改进遗传算法．以泵效率为优化目标,选取叶轮6个设计参数,采用拉丁超立方设计方法创建90组设计样本,用响应面模型对泵效率和设计参数进行拟合．通过改进的离散型遗传算法对其进行寻优,得到叶轮最优设计参数组合．结果表明：响应面模型能够准确反映效率和叶轮设计参数之间的关系,设计工况下预测值与数值模拟的偏差为0.82%;优化后泵效率在0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d下的增幅分别为7.05%,5.98%和1.90%,且输入功率显著降低;优化后叶轮和蜗壳内部的流动损失面积明显减小,整体流动损失显著降低．参数敏感性分析表明：叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度和叶片包角对泵性能的影响较大．     

考虑稠油黏度影响的潜油电泵模拟与优化

潜油电泵采油是目前最常用的人工举升方式之一。当应用于稠油井时,受入泵流体高黏度的影响,使潜油电泵特性曲线偏离抽水时的特性曲线,导致潜油电泵合理运行窗口变窄,因此,针对水设计的离心泵结构难以适应稠油的高黏环境。针对上述问题,基于CFD数值模拟方法,系统地进行了潜油电泵在高黏条件下增压特性的研究,结果表明,随流体黏度增加,流体流动摩擦阻力更大,流体与叶片间相互作用增大,叶轮与导轮的进出口压差减小,流速降低,流体流动状态从湍流转变为层流,叶轮及导轮内回流区域的尺寸及数量均减小。同一黏度下,离心泵扬程随排量的增加而降低;同一排量下,离心泵扬程随着黏度的增大而显著降低。基于因素分析,考虑黏度影响,进而对离心泵结构参数进行了优化设计,最优结构为:入口宽度16.6 mm,叶片数6片,出口宽度21.9 mm,叶包角60°。相比于原离心泵,在黏度为400 mPa.s,允许排量范围内,扬程最大增幅28%。     

前伸式双叶片环保用泵的回归分析及优化设计

以某典型前伸式双叶片环保用泵为研究对象,选择了其叶轮进口直径Dj、叶轮外径D2、叶片出口安放角β2b、叶片包角θ四个几何因素,第一阶段选用L9(34)正交表进行正交设计,设计出9副叶轮,对叶轮、蜗壳在内的前伸式双叶片环保用泵进行数值模拟,获得9组设计方案额定点的效率、扬程及功率,应用极差分析与多指标综合平衡法选出泵设计的最佳参数;第二阶段在正交试验确定的最佳条件附近安排二次回归通用旋转设计,得到30组设计方案,采用CFD进行计算,分析结果以建立效率与各因素的定量关系,再通过响应面法精确得出泵的最佳设计条件.结果发现:在给定范围内,对泵效率影响的顺序为β2bD2θDj;对于中高比转速的前伸式双叶片环保用泵,其叶片出口安放角应取β2b=15°~25°.     

出口宽度b2与离心泵流量关系的数值模拟

离心泵叶轮的液体受叶轮旋转及表面曲率的影响,常出现脱流、回流及二次流等现象,一般来说是比较复杂的三维湍流流动。目前的离心泵叶轮的水力设计主要以一元理论及试验经验数据为主,一旦试验泵与设计工况有偏差,将很难定量给出修正值。该文结合叶轮机械内部流动的数值计算,通过保证扬程不变并同时改变叶轮出口宽度b2,揭示叶轮出口宽度与离心泵的定量关系,对后续离心泵出口宽度的修正提供一定的指导意义。     

低比转数离心泵提高效率的研究

本文对n_s=40的离心泵能量性能进行了实验研究。通过对不同出口安放角叶轮的能量平衡试验,了解到出口安放角对泵能量性能的影响。本文给出了低比转数离心泵叶轮主要结构参数的选择方法。在叶轮的长短叶片方案中,本文首次采用了短叶片进口边向长叶片背面偏置的方法,从而使泵的能量性能进一步提高。     

叶轮出口宽度对森林消防泵性能的影响及其优化

水泵叶轮的出口宽度对森林消防泵的性能有着极大的影响,根据水泵的外部特性要求,通过数值计算获得叶轮出口宽度。在保证叶轮的进出口安装角、进出口直径等其他参数不变的情况下,对叶轮的出口宽度设置参数变化,应用PRO/E软件进行叶轮的改型设计,使叶轮的出口宽度分别为8、10、12 mm,依次对各出口宽度进行计算流体动力学(CFD)数值模拟,以获得大流量、高扬程离心泵叶轮的最优出口宽度。实验表明:当叶轮出口宽度为8、12 mm时,叶轮内部流速与压力都没有达到最佳状态; 而当出口宽度为10 mm时,叶轮内部流场的速度最高可达40 m/s,最大压力可达2.0×10⁵ Pa左右,且压力和速度分布均匀,此时最优运行工况效率为91.72%。通过离心泵野外试验验证,叶轮出口宽度为10 mm时的扬程与流量都达到了设定目标。     

叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响

应用CFD流场数值计算程序对两类不同长叶片、两类不同长短叶片和一类超短叶片配置的离心泵进行数值模拟,讨论叶片数、分流叶片不同径向位置及周向位置对离心泵内流场及整机性能的影响.结果表明,选择合理的叶片数和分流叶片的径向及周向位置,可以有效降低长叶片的负荷,有效提高泵的扬程和效率,避免叶片数过多引起的叶轮进口堵塞和叶轮流道内发生回流和漩涡.当离心泵分流叶片进口直径为叶轮直径的0.68,分流叶片向长叶片背面偏置5°,叶片数为4个长叶片和4个超短叶片时,离心泵的整体性能最佳.