一种离心泵叶轮的优化设计方法技术

本发明专利技术涉及离心泵水力优化领域。提出一种离心泵叶轮的优化设计方法，该方法在涡结构和熵产的共同约束下，可以更加精确快速地确定离心泵叶轮的最优工况点，得到对应的叶轮设计参数，使得叶轮的水力性能更好、稳定性更优。技术方案是：一种离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：按照如下步骤进行：1)首先根据设计要求，依据设计经验来具体确定一组需要进行优化的参数；2)建模和网格划分；3)CFX仿真验证；4)涡核结构提取；5)熵产分析；6)高效点匹配；7)采用模拟退火优化算法，对叶轮的设计参数进行优化。

An optimal design method for impeller of centrifugal pump

【技术实现步骤摘要】
一种离心泵叶轮的优化设计方法
本专利技术涉及离心泵水力优化领域，尤其是一种离心泵叶轮的优化设计方法。
技术介绍
目前，离心泵是泵行业应用最广泛的泵型，其使用量约占整个泵行业的70％。离心泵内流体的粘性作用以及离心泵特殊的几何结构决定了离心泵内部的实际流动是三维、粘性、非定常的，再加上流体绕流叶片、高速旋转等多种因素的作用，不可避免地形成各种不稳定流动，主要包括：脱流、回流、二次流、尾流以及各式各样的涡流等等，这些非定常因素共同存在且作用明显，使得离心泵内部的流场呈现强烈的、复杂的非定常流动特性。在设计工况点，虽然离心泵保持较高的运行效率，然而非定常流动特性的存在也会导致离心泵运行稳定性较差、振动噪声较高。叶轮是离心泵中最主要的过流部件和做功部件，其设计优劣直接影响泵的运行效率和运行稳定性，进而影响泵的振动和噪声等设计目标，因此对泵叶轮进行优化设计具有重大的意义。对于离心泵叶轮的水力设计来说，主要需解决三大问题：(1)提高效率；(2)改善性能；(3)增强泵的运行稳定性。2011年7月20日，中国专利申请号为201110202524.5的专利技术专利公开了“一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法”，通过构建优化参数，采用NSGA-II遗传算法为优化工具，设计一种改善空化空蚀性能的叶轮优化设计方法，该方法没有考虑到影响叶轮运行稳定等因素。要保证离心泵安全稳定高效地运行，关键是要充分了解其内部流体运动形态，其中分离流动和旋涡运动是最常见的流动现象，这些水力波动会对离心泵产生压力脉动，影响离心泵运行的稳定性。因此，需要在充分考虑叶轮效率和压力脉动因素的前提下，提出一种叶轮优化设计方法，提高离心泵的水力性能和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
的不足，提出一种离心泵叶轮的优化设计方法，该方法在涡结构和熵产的共同约束下，可以更加精确快速地确定离心泵叶轮的最优工况点，得到对应的叶轮设计参数，使得叶轮的水力性能更好、稳定性更优。本专利技术提供的技术方案是：一种离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：按照如下步骤进行：1)首先根据设计要求，依据设计经验来具体确定一组需要进行优化的参数：叶轮进口宽度b1、叶轮出口宽度b2、叶片进口角β1、叶片出口角β2、叶片数z，这一组需要进行优化的参数在下面给出了约束范围。其它叶轮参数则作为设计常量；所述需要进行优化的参数的约束范围为：30°＜β1＜40°15°＜β2＜40°上式中：Km1-叶轮进口轴面系数(可由设计条件得出)ns-泵的比转数Q-流量h-为扬程n-叶轮转速g-重力加速度该步骤中对离心泵叶轮进行设计参数优化时，可对步骤4)的离心泵内部能量损失分布情况进行分析，从而得到叶轮能量损失的主要区域，并对应叶轮的低效率区域，为叶轮设计参数的调整提供参考，以提高设计参数优化的针对性，减少设计参数的验证次数和工作量。2)建模和网格划分：按照离心泵叶轮的基本参数，使用三维造型软件在确定的坐标系下(图2所示)对离心泵叶轮的计算域进行造型；利用ANSYSICEM软件对三维模型进行网格划分；3)CFX仿真验证：将网格导入CFX软件中，在给定的边界条件下(包括进口压力、出口流量、壁面和动静交界面设置、叶轮转速)进行离心泵叶轮在全流量工况下的瞬态数值模拟计算，可由软件自动生成结果。再对数值模拟结果进行后处理以获得离心泵的流量-扬程、流量-效率等性能曲线；根据性能曲线对比在所绘制的网格下扬程和效率是否达到设计要求，若不满足设计要求，则重复步骤2)对三维模型重新进行网格划分，直至得到满足设计要求的网格；4)涡核结构提取：以步骤3)得到的模拟结果为基础，基于Q方法在计算域中进行涡核结构提取，得到涡核强度随流量变化的数据，其中，Q值表示流体微元旋转与变形的强度大小关系；5)熵产分析：以步骤3)得到的网格为基础，根据公式(1.1)、(1.2)、(1.3)，由CFD计算结果的速度分布计算离心泵内部能量损失Spro，t分布情况；然后由公式(1.4)得到叶轮总熵产生率；上式中Spro，t-叶轮总熵产生率-叶轮时均熵产生率Spro，d′-叶轮脉动熵产生率u、v、w-流体分别在X、Y、Z方向上的速度分量6)高效点匹配：将步骤4)、步骤5)中得到的数据进行无量纲化处理，导入到数据处理软件中进行绘图，得到叶轮总熵产和涡核强度随流量变化的曲线；其中涡核强度最小时对应的无量纲流量Q1，叶轮总熵产最小时对应的无量纲流量为Q2；7)采用模拟退火优化算法，对叶轮的设计参数进行优化，使得涡核强度最小时对应的无量纲流量和熵产最小时对应的无量纲流量均Q’，且Q’＝Q1＝Q2＝1，此时得到叶轮的最优设计参数。所述步骤4)中，Q方法提取涡结构的步骤为：简化到笛卡尔坐标下Q值如下：其中，Q方法定义Q>0的区域为涡管所在区域；上式中变形率张量和涡量则是由数值模拟结果在后处理软件中编辑CEL表达式获得。设定阀值，提取Q＝Qd的微元等值面确定旋涡形态，其中，Qd为设计流量。确定好Q值之后，在CFD-POST中，作出该Q值下的涡量等值面，采用旋涡强度系数进行着色,由软件定量计算出涡核强度，并记录数据。所述步骤6)中，对叶轮总熵产进行无量纲化处理，是采用每一个叶轮熵产的数值除以叶轮熵产的最小值；对涡核强度进行无量纲化处理，是采用每一个涡核强度的数值除以涡核强度的最小值；对流量进行无量纲化处理，是采用每一个流量的数值除以设计流量Qd。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过对叶轮内部熵产值的分析来反映叶轮效率的变化情况；通过对涡核强度进行数值化处理来描述压力脉动的改变；通过熵产和涡核强度的结合来优化设计叶轮，即为同时考虑叶轮效率和压力脉动来进行叶轮的优化设计，可以保证叶轮有更好的运行效率和运行稳定性。2)采用Q方法对离心泵叶轮内部主要涡核区域进行涡结构表面积的提取，并将涡结构数值化，有利于形象地了解压力脉动的变化，为叶轮的优化提供依据。3)采用能量熵的方法，由离心泵内部能量损失分布情况，可分析出叶轮能量损失的主要区域，并对应叶轮低效率区域，为叶轮设计参数的调整提供参考。4)基于Q方法和能量熵理论联合约束，来优化确定离心泵叶轮高效工况点，使得可以更加高效地得到优化的离心泵叶轮参数，比传统的叶轮优化更加准确，效率更高。5)采用模拟退火算法对离心泵叶轮设计参数进行优化设计，可以更加精确快速地得到叶轮最优设计参数。附图说明图1为本专利技术离心泵叶轮的优化设计方法流程图。图2为初始离心泵叶轮进出口角度示意图。图3为图2的A-A向视图(为初始离心泵叶轮进出口宽度示意图)。图4为优化后离心泵叶轮网格图。图5为本专利技术实施例中离心泵叶轮在初始参数下的总熵产和涡核强度随本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：按照如下步骤进行：/n1)首先根据设计要求，依据设计经验来具体确定一组需要进行优化的参数：叶轮进口宽度b

【技术特征摘要】
1.一种离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：按照如下步骤进行：
1)首先根据设计要求，依据设计经验来具体确定一组需要进行优化的参数：叶轮进口宽度b1、叶轮出口宽度b2、叶片进口角β1、叶片出口角β2、叶片数z，这一组需要进行优化的参数并在下面给出了约束范围，其它叶轮参数则作为设计常量；
所述需要进行优化的参数的约束范围为：



30°＜β1＜40°
15°＜β2＜40°



上式中
Km1-叶轮进口轴面系数(可由设计条件得出)
ns-泵的比转数
Q-流量
h-为扬程
n-叶轮转速
g-重力加速度；
2)建模和网格划分：按照离心泵叶轮的基本参数，使用三维造型软件在确定的坐标系下对离心泵叶轮的计算域进行造型；利用ANSYSICEM软件对三维模型进行网格划分；
3)CFX仿真验证：将网格导入CFX软件中，在给定的边界条件下进行离心泵叶轮在全流量工况下的瞬态数值模拟计算，由软件自动生成结果。再对数值模拟结果进行后处理以获得离心泵的流量-扬程、流量-效率等性能曲线；根据性能曲线对比在所绘制的网格下扬程和效率是否达到设计要求，若不满足设计要求，则重复步骤1)对三维模型重新进行网格划分，直至得到满足设计要求的网格；
4)涡核结构提取：以步骤3)得到的模拟结果为基础，基于Q方法在计算域中进行涡核结构提取，得到涡核强度随流量变化的数据，其中，Q值表示流体微元旋转与变形的强度大小关系；
5)熵产分析：以步骤3)得到的网格为基础，根据公式(1.1)、(1.2)、(1.3)，由CFD计算结果的速度分布计算离心泵内部能量损失分布情况(这里以熵产来表征能量损失)；然后由公式(1.4)得到叶轮总熵产生率；












上式中
Spro，t-叶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓俊，刘遥遥，郇钰莹，蔡云辉，陈波，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33