一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种侧流道泵水力性能的快速优化设计方法，可以分别根据叶轮和侧流道的效率计算公式，找出影响侧流道泵性能的主要几何参数，从而有针对性地对侧流道泵水力性能进行快速优化。本发明专利技术中的快速优化方法主要为：选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，通过联合求解得出侧流道泵理论扬程、轴功率、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的。

A fast optimization method for hydraulic performance of side flow channel pump

【技术实现步骤摘要】
一种侧流道泵水力性能快速优化方法
本专利技术涉及到流体机械设备中超低比转速叶片泵设计
，具体涉及一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法。
技术介绍
侧流道泵是一种体积小、比转速超低的泵，能在极小流量下稳定运行且获得相对较高的扬程。由于流体在叶轮和侧流道之间螺旋运动，水力损失相对较大，这类泵效率普遍偏低，大部分不到40％，因此提高侧流道泵效率是一项迫切的任务。目前，比较流行的泵水力性能优化设计方法都是CFD优化设计或神经网络法优化设计等，这些方法不能分开得出侧流道泵内叶轮和侧流道的水力效率，因此有时候不能找出泵效率低的主导原因。本专利技术中的优化设计方法是：选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、轴功率、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，找出影响侧流道泵效率的主导原因，通过调节表达式中的几何参数，最终提高侧流道泵的水力性能，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的，具有重要的实践意义；主要应用于侧流道泵水力优化设计及节能改造，可以分开改进径向叶轮和侧流道的几何参数，以提高侧流道泵的扬程和效率。
技术实现思路
为了快速优化侧流道泵水力性能，本专利技术通过微积分思想，将动量守恒方程与泵内水力性能基本关系式联立求解，然后将CFD计算结果部分参数代入方程式，最终获得侧流道泵的水力性能表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的。一种侧流道泵水力性能快速优化方法，借助微积分思想，选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的；所述侧流道泵水力性能满足以下关系式：η总＝η叶轮·η侧式中：Qm交换-侧流道的交换质量流量，kg/s；p-为微元体横截面上的压力，pa；Qv-体积流量，m3/s；Qm-质量流量kg/s；A-流道断面面积，m2；Cin-进入侧流道的圆周速度，m/s；C侧-侧流道内圆周速度，m/s；Htheo-理论扬程，m；g-重力加速度，m/s2；η叶轮-叶轮效率；η侧-叶轮效率；η总-叶轮效率；ρ-流体密度，kg/m3；P有效-有效功率，w；P交换-有效功率，w；M-电机力矩，N·m；Ω-叶轮旋转角速度，rad/s。具体步骤如下：在侧流道计算域上选取一个微元体，如图1所示，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0(1)式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度(假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为本专利技术的Cin)，m/s；C侧为侧流道内圆周速度(其值为QV/A,Qv为体积流量)，m/s；整理(1)式可得：Qm交换·(Cin-C侧)＝Δp·A(2)式(2)中：Δp为流入和流出侧流道泵的压力差，Pa。将(2)式代入泵的理论扬程可以得出侧流道泵的理论扬程表达式为：式(3)中：Htheo为理论扬程，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。由于关死点流量为0，所以C侧＝QV/A＝0，将CFD计算出的关死点扬程Htheo，0(即流量为0时的扬程)代入(3)式，得圆周速度表达式为：式(4)中，测得侧流道的横截面半径r，得出侧流道的横截面积A＝πr2/2，从CFD计算结果中获取通过侧流道的交换质量流量Qm交换，即可求得圆周速度Cin；从CFD计算结果中获取扬程H，得到有效功率：P有效＝Qm·g·H(5)式(5)中：P有效为有效功率，w；Qm为质量流量，kg/s，即模拟设置中的进口边界条件；H为扬程，m。由动能定理可以得到交换功率将C侧＝QV/A代入式(6)可以得：通过试验测得侧流道泵的电机转速n，得叶轮旋转角速度：ω＝2πn(8)利用扭矩测量仪获取侧流道泵的电机力矩M，从而得到叶轮效率、侧流道效率及整个侧流道泵的效率：叶轮效率侧流道效率整个侧流道泵的效率η总＝η叶轮·η侧(11)在不同工况下，通过上述步骤对侧流道泵水力性能进行分析计算，利用式(3)、(9)、(10)和(11)可以分别得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，根据设计要求调节表达式中的几何参数，获得所需的侧流道泵水力性能，如图2所示，从而达到快速优化侧流道泵的目的。本专利技术的优点在于：a.从物理模型结合数学方法，提出了一种快速优化侧流道泵水力性能的理论方法，可以分别导出侧流道泵内叶轮和侧流道的水力效率表达式，通过调整相应的几何参数，提高侧流道泵整体的水力性能，为侧流道泵的优化设计提供理论参考；b.本专利技术提出的优化设计方法可以快速优化侧流道泵性能，缩短设计周期，减少设计成本消耗。附图说明图1为侧流道泵水力性能优化方法所取微元体以及作用关系图；图2为利用本专利技术方法计算实例的效率曲线图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。图1为侧流道上截取的微元体，根据微元体上作用关系，列出动量守恒方程式，积分后与泵水力性能基本关系式联立求解，得出侧流道泵的扬程、功率、叶轮效率、侧流道效率以及侧流道泵的总效率表达式。通过CFD计算，将相应物理量Cin,C侧,Qm交换代入上述各公式中，得出侧流道泵各种水力性能参数表达式，根据表达式中几何参数影响规律，指导侧流道泵的水力优化设计。图2为利用本专利技术方法分析计算的实例，从图中看出，叶轮、侧流道和总效率分别得到，通过此结果与设计要求的对比分析，对侧流道泵各几何参数进行相应的优化设计。以具体侧流道泵模型为例，分析侧流道泵在设计点QV＝10m3/h下的水力性能，具体步骤如下：在侧流道计算域上选取一个微元体，如图1所示，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0(1)式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度(假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为本专利技术的Cin)，m/s；C侧为侧流道内圆周速度(其值为QV/A,Qv为体积流量)，m/s。整理(1)式可得：Qm交换·(Cin-C侧)＝Δp·A(2)式(2)中：Δp为流入和流出侧流道泵的压力差，Pa。将(2)式代入泵的理论扬程可以得出侧流道泵的理论扬程表达式为：式(3)中：Htheo为理论扬程，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度m/s2。由于关死点流量为0，所以C侧＝QV/A＝0，将CFD计算出的关死点扬程Htheo，0(即流量为0时的扬程)代入(3)式，得圆周速度表达式为：测得实施例中侧流道的横截面的半径r＝0.0176m，得侧流道的横截面积A＝0.5*3.14*0.01762＝4.863*10-4m2，从CFD计算结果中获取通过侧流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种侧流道泵水力性能快速优化方法，其特征在于，借助微积分思想，选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的；所述侧流道泵水力性能满足以下关系式：

【技术特征摘要】
1.一种侧流道泵水力性能快速优化方法，其特征在于，借助微积分思想，选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的；所述侧流道泵水力性能满足以下关系式：η总＝η叶轮·η侧式中：Qm交换-侧流道的交换质量流量，kg/s；p-为微元体横截面上的压力，pa；Qv-体积流量，m3/s；Qm-质量流量kg/s；A-流道断面面积，m2；Cin-进入侧流道的圆周速度，m/s；C侧-侧流道内圆周速度，m/s；Htheo-理论扬程，m；g-重力加速度，m/s2；η叶轮-叶轮效率；η侧-叶轮效率；η总-叶轮效率；ρ-流体密度，kg/m3；P有效-有效功率，w；P交换-有效功率，w；M-电机力矩，N·m；Ω-叶轮旋转角速度，rad/s。2.根据权利要求1所述的侧流道泵水力性能快速优化方法，其特征在于，所述优化方法具体包括如下步骤：在侧流道计算域上选取一个微元体，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0(1)式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度，假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为Cin，m/s；C侧为侧流道内圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，袁寿其，袁建平，张金凤，陈轲，
申请(专利权)人：江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32