中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟
基于CFD的离心泵内部流场数值模拟
基于CFD的离心泵内部流场数值模拟作者：郑玉彬张旭明来源：《科技创新与应用》2014年第21期摘要：为研究CFD技术在离心泵内部流场分析方面的应用，通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型，基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法，应用计算流体力学软件CFX对泵进行了定常数值模拟和分析。
结果表明：由于蜗壳的扩压作用，在0.6Q～1.3Q泵的内部压力变化梯度明显，从叶轮进口向蜗壳出口方向，压力逐渐增加。
在0.9Q～1.1Q工况，泵内的压力变化更加均匀，这表明在设计点附近，泵的流动更加稳定。
而在1.2Q和1.3Q工况，在第八断面附近，出现高压流体和低压流体交汇，流场分布不均匀，这表明泵在大流量区域流动不稳定。
应用CFD技术能很好的分析离心泵的内部流场。
关键词：CFD；离心泵；数值模拟随着工业和城市化的进一步发展，我国面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势，因此开发高效节能的排污泵能够降低能耗，达到节能的效果，可以为国家带来巨大的经济效益[1]。
施卫东[2]为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一，对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法，经优化得出3种方案，应用Pro/E软件建模，结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测，并与外特性试验结果对比。
丛小青[3]针对低比速排污泵轴功率曲线随流量增大而增大这一特点，从理论上推导了排污泵产生无过载轴功率的条件，分析了主要几何参数对扬程曲线斜率的影响，给出了无过载排污泵水力设计中主要几何参数的选择原则和范围，同时通过设计实例，阐述了无过载排污泵的设计方法。
刘厚林[4]通过对双流道泵叶轮和蜗壳里的水力损失、容积损失、机械损失的分析，提出了双流道泵扬程曲线、效率曲线的性能预测方法，分别给出了双流道泵叶轮和蜗壳内各种摩擦损失、扩散损失，及主要局部损失的计算方法。
基于CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法
基于CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法赵万勇;王磊;赵爽;王钊;杨登峰【摘要】Impellers of medium-high specific speed centrifugal pump were designed based on both the one-dimensional and two-dimensional design theory. Meridional velocity and velocity moments distribution on the blade were simulated numerically with Fluent. It was confirmed by analyzing these distribution curves that the distribution of meridional velocity on the blade based on one-dimensional theory was uniform along the flow passage cross-sectioa By means of two-dimensional theory and potential flow distribution method, an impeller with potential flow over the most part of the blade might be designed, but this approach was not yet The performance curve of pump could be obtained with CFD, hydraulic performance of one-dimensional theory-based impeller would be better than that of two-dimensional theory-based impeller. And velocity moments distribution on blade would be a key factor affecting the hydraulic performance of the two-dimensional theory-based impeller.%采用了一元理论和二元理论有势流动规律2种设计方法,对中高比转速离心泵叶轮进行水力设计.采用Fluent数值模拟,分别计算叶轮叶片的轴面速度和速度矩,通过分析叶片的轴面速度分布曲线和速度矩分布曲线,验证基于一元理论的叶片轴面速度并非沿过水断面均匀分布,二元理论有势流动设计方法可以设计出叶片内大部分流体满足轴面流动为有势流动的叶轮,但是设计方法尚不成熟.通过CFD计算可以得到泵的特性曲线,采用一元理论设计的叶轮的水力性能好于采用二元理论设计的叶轮,在用二元理论进行叶轮的水力设计中,速度矩分布规律曲线的选取对叶轮的水力性能影响很大.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2013(039)002【总页数】4页(P35-38)【关键词】离心泵;叶轮;设计理论;轴面速度;速度矩【作者】赵万勇;王磊;赵爽;王钊;杨登峰【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH131离心泵的设计理论和方法目前尚不十分成熟，处于半经验阶段［1］，叶轮中液流的实际流动是十分复杂的三维非定常湍流流动，其流动规律及流动机理还未被人们充分认知，且很难用数学和流体力学的方法准确描述.当前迅速发展的叶轮一元、二元和三元设计理论，是建立在3种不同流动规律假设的基础上的，由于假设的规律和简化的方法不同，3种设计理论的设计思路和设计出发点各不相同.其中一元理论计算最为简单，设计资料和设计经验也最为成熟，是叶片式离心泵叶轮的主要设计方法，并被广泛应用；二元理论主要应用在混流式水轮机转轮和混流泵叶轮的设计中，取得了良好的效果；三元理论相比一元和二元理论更接近于叶轮内的实际流动，但是计算复杂，仍处于前沿研究课题，应用较少.这三种叶轮设计理论，从流动规律假设的角度看，三元理论优于二元理论和一元理论，从设计理论的成熟程度和计算难易程度看则刚好相反.计算流体力学（CFD）的发展，为人们进一步深入认识叶轮内流体流动规律及完善叶轮的设计理论和方法提供了新的途径，学者们的研究主要集中在混流泵、水轮机的二元理论和三元理论设计方法［2-5］，高比转速离心泵叶轮的相关研究较少.中高比转速离心泵叶片前后盖板曲线曲率较大，但低于混流泵叶片，设计上多采用一元理论.本研究用二元理论设计某中高比转速离心泵叶片，并与一元设计理论进行对比，分析叶轮内部流体流动规律，这对叶轮设计理论和方法的发展具有重要意义.一元理论和二元理论叶轮设计实质相同：根据假设的流动规律，求解出近似的叶片空间流线，作为翼型骨线，并按规律将其连成叶片.一元理论假设的流动规律为：轴面速度沿过流断面均匀分布；二元理论（ωu＝0）假设叶片轴面上的流动为有势流动，轴面速度随轴面流线和过水断面形成线两个坐标变化，在同一轴面截线上v u r等于常数［6］.本文在保证泵的设计参数和叶轮叶片轴面流道不变的前提下，先后用上述2种设计理论设计了某中高比转速离心泵叶轮，并进行数值模拟，分析其叶轮内部流体的实际流动规律.1 叶轮设计1.1 设计参数比转速n s＝186，流量q V＝0.111 m3／s，扬程H＝20 m，转速n＝1 450 r／min，必需汽蚀余量为2.95 m.1.2 水力设计经过叶轮水力计算确定叶轮进口直径D 1＝190 mm，叶轮外径D 2＝291 mm.绘制叶片前后盖板流线，并检查轴面液流过水断面面积A沿轴面流道中线长度L的变化曲线，如图1所示.图1 轴面液流过水断面面积变化曲线Fig.1 Variation curve of meridional wetted perimeter area1.2.1 轴面流线叶片一元设计理论和二元设计理论轴面流线绘制方法不同［7-8］，本文绘制了3条轴面流线a流线（前盖板流线）、b流线和c流线（后盖板流线），如图2所示，在保持前、后盖板和叶轮外径不变的前提下，采用二元理论绘制了2～4号叶轮叶片轴面流线.图2 叶片的轴面流线Fig.2 Meridional stream lines of blade1.2.2 轴面截线采用一元理论设计的叶轮为1号叶轮，其轴面截线如图3a所示.图3 叶轮叶片轴面截线Fig.3 Meridional intersection of impeller blade采用二元理论绘制轴面截线时的设计思路为等速度矩方法，需给定一条流线上速度矩v u r的变化规律，其设计经验相对较少，尚无成熟经验可以借鉴.因此本文以c 流线为基准分别选用三条变化规律曲线，设计了2～4号叶轮.2号叶轮借鉴的是混流式水轮机转轮上冠的速度矩曲线；3号叶轮借鉴的是1号叶轮水力设计计算出的c流线速度矩变化曲线；4号叶轮则借鉴了通过Fluent模拟计算出的1号叶轮的c 流线速度矩的真实变化规律.采用二元理论设计方法依次绘制2号叶轮、3号叶轮和4号叶轮的轴面截线，如图3b～3d所示.1.2.3 其他设计参数采用二元理论设计的叶轮，固定出口边位置和形状不变，其进口边即为叶片轴面截线，叶片进口角和出口角也随叶片型线而确定，包角度数随叶片轴面截线的条数而确定，叶片数根据叶片的长度与叶道的宽度的比值为经验常数而确定.2～4号叶轮的叶片数和包角依次为：11叶片，45°；9叶片，60°；8叶片，65°.1号叶轮叶片数为6片，包角为80°.4个叶轮的叶片均为均匀加厚，进口减薄.2 数值计算2.1 计算模型采用Pro／E进行4个叶轮的三维造型.控制方程使用雷诺时均N-S方程分析泵内湍流.计算区域模型包括泵的吸水室、叶轮和蜗壳，采用ICEM对模型进行非结构四面体网格划分，局部网格进行加密处理，网格质量良好，网格无关性验证满足要求，改变网格数对泵的性能影响不大.本研究计算模型模拟介质为清水，忽略黏性，采用标准k-ε湍流模型，压力和速度耦合方式选用SMPLEC算法，连续性方程、动量方程、湍动能方程及其耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算.模拟采用多重参考坐标系，设叶轮流动区域为运动坐标系，其余流动区域为固定坐标系.2.2 边界条件进口边界条件采用速度进口，出口边界条件采用自由出流，叶片表面和轮毂等固体壁面上速度满足无滑移条件，固壁面附近采用标准壁面函数法确定.3 计算结果分析3.1 1号叶轮分析1号叶轮采用的是一元设计理论.一元设计理论假设轴面速度沿过流断面均匀分布（而实际流动并非如此），即同一过水断面上a、b、c流线的轴面速度相等.本研究设计的1号叶轮叶片的轴面速度（v m0）沿流线分布，以过水断面为横坐标绘制曲线如图4所示，Fluent模拟计算出的真实流场中的a、b、c流线的轴面速度（v m1）变化曲线见图4.显然，同一过水断面的轴面速度并不相等，验证了叶轮内实际流动规律并非轴面速度沿过水断面均匀分布.图4 1号叶轮叶片流线轴面速度变化曲线Fig.4 Meridional velocity distribution along streamline over blade in impeller 1＃3.2 2～4号叶轮分析2～4号叶轮采用的是ωu＝0的二元设计理论.叶轮二元有势流动设计理论（ωu＝0）认为轴面上的流动不是轴面速度沿过流断面均匀分布的一元流动，而是二元有势流动，理论上比一元理论完善.二元理论的重要性质为沿同一轴面截线上的速度矩为常数.本文采用Fluent模拟计算了2～4号叶轮叶片的速度矩，2～4号叶轮通过数值计算得到的叶片速度矩的变化曲线如图5所示.图5 叶轮叶片速度矩变化曲线Fig.5 Velocity moments distribution of blade in impeller从图5可以看出，4号叶轮叶片从第三轴截面开始，沿同一轴截面上的速度矩基本相等.可以看出4号叶轮内流体的真实流动为：从叶片中前部到叶片出口边，速度矩沿着轴截面均匀分布.而2号叶轮和3号叶轮在叶片中间部分的变化趋势虽然一致，但是沿同一轴截面的速度矩并不相等，所以2号叶轮和3号叶轮叶片轴面上的流动并非有势流动. 以上分析说明，本研究采用的ωu＝0的二元设计理论设计的三个叶轮的叶片内，流体速度矩的变化规律均与设计时给定的v u r变化规律不同，但是在设计的叶轮中，有一个叶轮（4号叶轮）在叶片大部分流道内流体为有势流动，较为符合二元ωu＝0的设计理论.因此，认为在采用二元有势理论设计叶轮时，在选用合适的v u r变化曲线的前提下，可以设计出内部流体在叶片轴面较为满足有势流动规律的叶轮.可见，采用二元理论设计叶轮时，速度矩曲线v u r的选取在叶轮二元设计方法和过程中起着十分关键的作用.3.3 性能分析1～4号叶轮泵的特性曲线如图6所示.可以看出，1、3、4号的H-q V曲线都较为平坦，但只有1号泵满足设计工况下扬程要求，3号和4号泵都达不到设计扬程；2号泵虽达到了设计扬程，但是H-q V曲线有小驼峰，性能不稳定.从P-q V 曲线看，3号和4号泵有驼峰，可实现无过载运行；1号和2号泵的功率则是随流量增大而增大.3号泵和4号泵的特性曲线整体较为相似，但是4号泵的效率要高于3号泵却小于1号泵.所以，1号泵的水力性能要好于2～4号泵.图6 泵的特性曲线Fig.6 Performance curve of pump可以看出，一元设计理论虽然不完善，但是设计方法和经验很成熟，所以设计的叶轮水力性能很好，得到了广泛的应用和推广.二元设计理论计算复杂，容易出错，设计方法和经验尚不成熟，因此本研究采用二元理论设计出的叶轮效率较低.在3个基于二元理论的叶轮泵中，4号叶轮泵的效率最高，分析其原因，认为在采用相同的水力设计方法的情况下，4号叶轮采用了较为合适的v u r曲线变化规律，从而获得了较好的水力性能，但是4号叶轮的扬程没有达到设计要求.因为叶轮进出口的速度矩值及分布对叶轮扬程有很大影响［8-9］，所以该叶轮在叶片进口边和出口边的速度矩v u r值的确定还需要作进一步的研究.二元设计理论和方法还有很大的研究空间，需要经验的积累和完善，尤其是基于二元理论的中高比转速离心泵叶轮的设计，如v u r曲线的选取和计算方法，叶片的进出口边位置和形状的确定，合适的叶片加厚方法等问题都有待研究.4 结论1）基于CFD方法，通过分析1号叶轮叶片的轴面速度曲线，验证了基于一元理论的叶片轴面速度并非沿过水断面均匀分布；通过分析2～4号叶轮叶片的速度矩曲线，发现只有在设计时给定合适的v u r分布规律的前提下，才能设计出叶片内大部分流体较为满足轴面流动为有势流动的叶轮.2）本研究中1号叶轮的水力性能好于2～4号叶轮，效率最高.可以看出，二元设计理论和方法远没有一元设计方法成熟，还需要进一步的研究和发展.在基于二元理论的3个叶轮中，4号叶轮的效率最高，水力性能最好，说明在采用二元理论设计叶轮时，速度矩曲线规律的选取对叶轮的水力性能影响很大.参考文献：［1］张永学，周鑫.泵叶轮数值研发理论的若干关键问题［J］.流体机械，2010，38（2）：35-40.［2］张勤昭，曹树良，王宏，等.速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响［J］.排灌机械工程学报，2011，29（3）：194-198.［3］曹树良，梁莉，祝宝山，等.高比转速混流泵叶轮设计方法［J］.江苏大学学报：自然科学版，2005，26（3）：185-188.［4］谢蓉，单玉姣，王晓放.混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计［J］.排灌机械工程学报，2010，28（4）：295-299.［5］张礼达，陈冬冬，代应，等.斜流式水轮机转轮准三元设计方法研究［J］.水力发电，2006，32（5）：43-47.［6］齐学义.流体机械设计理论与方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2008. ［7］关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995.［8］曹鹍，姚志民.水轮机原理及水力设计［M］.北京：清华大学出版社，1991.［9］李文广，苏发章，黎义斌，等.轴流泵叶片设计中叶轮出口速度矩分布［J］.兰州理工大学学报，2005，31（3）：54-58.。
基于CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法
２ ０ １ ３ 年 ４月 兰州理工 Nhomakorabea大
学
学
报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｍｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ２ Ａｐ ｒ ． ２ ０ １ ３
ＣＦ Ｄ－ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ－ ｈ ｉ ｇ ｈ
ｓ ｐｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ｓ ｐｃ ｃ ｄ ｃ ｅ ｎｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ｐ ｍ ｐ ｕ
ＺＨＡＯ Ｗａ ｎ － ｙ ｏ ｎ ｇ，Ｗ ＡＮＧ Ｌｅ ｉ ，ＺＨＡＯ Ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｚ ｈ ａ ｏ，ＹＡＮＧ Ｄｅ ｎ ｇ － ｆ ｅ ｎ ｇ
摘要： 采用 了一元理论 和二元理论 有势流动规律 ２种设计方法 ， 对中高比转速离心泵叶轮进行水力设计． 采用 Ｆ ｌ ｕ —
ｅ ｎ ｔ 数值 模拟 ， 分别 计算叶轮叶片的轴面速度和速度矩 ， 通过分 析叶 片的轴面速 度分布 曲线和 速度矩 分布 曲线， 验
证基于一元理论 的叶片轴面速度并非 沿过水 断面均匀分布， 二元理论 有势 流动设计方法可 以设计 出叶片 内大部分 流体 满足轴面流动为有势流动 的叶轮 ， 但 是设 计方 法 尚不成熟． 通过 Ｃ Ｆ Ｄ计算 可 以得 到泵 的特 性 曲线， 采 用一元 理 论设 计的 叶轮 的水 力性 能好于采用二 元理论设 计的 叶轮 ， 在 用二 元理 论进行 叶轮 的水力设 计 中， 速度 矩分布规 律 盐线 的选取对 叶轮 的水力性 能影响很 大． 关键词 ：离心 泵；叶轮 ｝ 设 计理论 ；轴 面速度 ；速度矩 中圈分 类号 ： ＴＨ１ ３ １ 文献标识码 ： Ａ
毕业设计(论文)-基于PROE离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析模板
摘要本文将曲面造型与数值计算有机的结合在一起应用到离心泵叶轮的设计中。
采用二维造型得到计算区域，通过对离心泵叶轮内部流场的数值计算与分析，得到较好的离心泵叶轮。
本文主要对离心泵叶轮的计算公式进行研究，并对离心泵叶轮的尺寸进行计算。
建立了一个叶轮轴面投影图，为叶轮的绘型做准备。
选择一种适合的绘型方法，完成离心泵叶轮的绘型。
最后再利用PRO/E软件建立离心泵叶轮的三维实体模型,即完成了在PRO/E中的三维建模。
为了方便流场数值的模拟分析，使用Gambit软件对所得的三维模型进行划分网格，运用fluent软件做出边界条件并计算，再使用fluent软件对所设计的离心泵叶轮内三维流场进行了数值模拟，并对计算结果进行了分析。
而后采用基于标准k一e湍流模型来求解，在非结构化网格中，采用基于有限元的有限体积法对方程进行离散，用压力校正法进行数值求解。
利用湍流模拟结果，分析了离心泵叶轮进口边位置对泵性能的影响。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。
本文结合实例和经验，通过对离心泵叶轮CFD计算结果的分析，说明所设计的叶轮是成功的。
关键词：离心泵叶轮；PRO/E；三维建模；数值模拟；计算流体动力学（CFD）Title Based on PRO / E centrifugal impeller three-dimensional modeling and numerical simulationAbstractThis article will surface modeling and numerical computation applied to the organic combination of centrifugal pump design. Be calculated using two-dimensional modeling area, through the centrifugal pump impeller Numerical calculation and analysis, get a better pump impeller.In this paper, the formula for centrifugal pump impeller to study, and calculated the size of centrifugal pump impeller. The establishment of a leaf axle plane projection, the drawing of the impeller to prepare. Select the drawing of a suitable method to complete the drawing of centrifugal pump impeller. Finally, using PRO / E software to establish the three-dimensional solid model centrifugal pump impeller, which was completed in PRO / E in the three-dimensional modeling.In order to facilitate numerical simulation analysis,the use of proceeds Gambit software mesh three-dimensional model,using fluent software to make the boundary conditions anf calculate,and then use software designed for fluent centrifugal pump impeller flow field is numerically simulation and calculation results are analyzed. Then based on the standard k a e turbulence model to solve, in the unstructured grid, finite element based finite volume method to discretize the equations using the numerical solution of the pressure correction method. Turbulence simulation using the results of analysis of a centrifugal pump impeller inlet side of the pump performance of the location. As a result of a variety of multi-grid solution method and the accelerating convergence technology, which can achieve the best fluent convergence speed and solution accuracy.In this paper, examples and experience, through the centrifugal pump impeller CFD analysis results, indicating that the impeller is successful. Keywords: centrifugal pump impeller; PRO / E; three-dimensional modeling; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)目录基于PRO/E离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析第一章绪论1.1论文研究的背景：泵广泛应用于国民经济的各个部门，它的技术性能对各相关行业影响巨大，长期以来采用“手工设计一样机生产一样机测试一设计修改”的生产路线，其不仅研制开发费用高，而且周期很长。
长中短叶片复合叶轮离心泵流动数值模拟
农 业 机 械 学 报
第４ ２卷 第 ３期
长中短叶片复合叶轮离心泵流动数值模拟
， ２ 崔宝玲 １ 朱祖超 １ 林勇刚 ２
（ １ ． 浙江理工大学流体传输及应用实验室， 杭州 ３ １ ０ ０ １ ８ ；２ ． 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室， 杭州 ３ １ ０ ０ ２ ７ ）
图１ 复合叶轮结构示意图 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈｍ ａ ｐｏ ｆ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ
表１ 叶轮的主要几何参数 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｍａ ｉ ｎｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ
第 ３期 崔宝玲 等：长中短叶片复合叶轮离心泵流动数值模拟
７ ５
角， 从而改善叶轮流 道 内 扩 散 程 度 及 稳 定 叶 轮 液 流 在叶轮流道的流动， 使更高的质量流量可以流经叶 轮， 使泵取得小流量稳定性； 而且复合叶轮进口叶片 数较少， 减少了进 口 排 挤， 降 低 了 进 口 的 动 压 降； 分 流叶片在进口段可 减 少 叶 片 阻 塞， 改善或防止尾迹 的产生和发展。 随着 计 算 机 和 计 算 流 体 力 学 的 发 展， 许多学者
１～２ ］ 开式和开式。 研 究 表 明 ［ ， 闭 式 长、 中、 短叶片的
引言 离心泵低比转数叶轮有 ３种形式： 闭式复合、 半
复合叶轮离心泵可以取得小流量稳定性。这是由于 复合叶轮出口叶片 数 增 加， 可采用较大的叶片出口
收稿日期：２ ０ １ ０ ０ ４ １ ６ 修回日期：２ ０ １ ０ ０ ６ １ ７ ２ ０ ７ ０ ６ ０ ４ ９ 、 ５ ０ ９ ７ ６ １ ０ ５ ） 和浙江省自然科学基金资助项目（ Ｒ １ １ ０ ０ ５ ３ ０ ） 国家自然科学基金资助项目（ 作者简介：崔宝玲， 副教授，主要从事流体机械的汽蚀特性与数值模拟研究，Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｂ ｌ ｃ ｕ ｉ ＠ｚ ｓ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
中比转速离心泵无过载优化设计_张生昌
收稿日期： 2014 － 07 － 01 修稿日期： 2014 － 12 － 23 基金项目： “十二五”国家科技支撑计划资助项目（2013BAF01B01）
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FLUID MACHINEＲY
Vol. 43，No． 3，2015
1 引言
离心泵具有流量小、扬程高的优点，因而被广 泛应用于农业灌溉、城市供水、锅炉给水、矿山、石 油和化工等领域［1］。由于中、低比转速离心泵的 轴功率曲 线 是 连 续 上 升 的［2］，长 期 以 来，效 率 偏 低和大流量区运行易过载是中、低比转速离心泵 设计中的难点，因此进行中、低离心泵无过载设计 并提高其效率，不仅能提高水泵系统的可靠性，而 且符合节能减排的要求。目前国内外对水泵无过 载性能的研究主要集中在低比转速离心泵领域。 施卫东等提出了低比转速潜水电泵无过载设计判 别式［3 ～ 5］；杨军虎等提出在无过载离心泵设计时 根据功率备用系数和比转速选取叶片出口角［6］； 司乔瑞等运用正交试验方案对低比转速潜水泵进 行了无过载优化设计［7］；张帆等根据无过载设计 法通过添加分流叶片对叶轮进行优化，实现了低 比转速离心泵的无过载目标［8］；而关于中比转速 离心泵无过载设计的研究较少［9，10］，Hu Bo 等运 用加大流量设计法对叶轮进行改进，使中比转速 离心泵满足多工况和无过载要求［11］。
切割叶轮对离心泵性能影响的数值模拟分析
０ 引 言
叶轮外径是影 响泵性能 的主要 因素之一 。在工 程实践 中， 经 常用切割 叶轮 的方法解 决两类 问题 ： 一
２ ０ １ ３年 ８月
农 机 化 研 究
第 ８期
式， 并通过 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ Ｃ算法修正压力场和速度场。
２ ０１ ３年 ８月
农 机 化 研 究
第 ８期
切 割 叶 轮 对 离 心 泵 性 能 影 响 的 数 值 模 拟 分 析
马新 华 ，邵 鑫， 李 浩 ，朱 家 峰
２ Ｉ ２ ０ １ ３）
（ 江 苏大 学 流 体 机 械 工程 技 术 研 究 中 心 ，江 苏 镇 江 摘
要： 基于 Ｃ Ｆ Ｄ计 算 软 件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ ， 对某 低 比转 速 离 心泵 在 切 割 叶轮 前 后 的 内部 流 场 进 行 了 叶轮 和 蜗 壳 的耦 合
采用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ软件 ， 对泵 的叶轮 与 蜗 壳 等过 流部 件 造 型 。为 了降 低边 界 条 件 对 内部 流 场 的 影 响 ， 对 叶轮 进 口和 蜗壳 的 出 口做 一 定 的延 伸 。对 三 维 模 型 进 行
网格划分 ， 并检查 网格 质量 ， 防止 网格体积出现负值 。
网格 检 查通 过 后 ， 光顺 并交换单 元面 ， 以 改 善 网 格 单
元 的连 接性 。图 １为 叶轮 和 蜗壳 的三维 造 型 图 。 研 究 用 泵 的性 能参 数 和结 构 参数 为 ：
流量／ ｍ ・ ｈ 一： ２ ０
比例定律离心泵叶轮的切割离心泵的比转速离心泵的汽蚀与吸入特性课件
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针对不同的工况条件，选择合适的泵壳结构，以减少 水力损失。
降低摩擦损失
通过优化流道设计，减少流体的摩擦损失，从而提高 泵的效率。
离心泵的结构与材料选择
选择合适的材料
01
根据使用环境和使用要求，选择合适的材料，如铸铁、铸钢、
不锈钢等。
确定结构形式
02
根据使用需求，确定离心泵的结构形式，如单级离心泵、多级
根据使用需求，确定流量、扬程、转速等主要设计参数。
选择合适的比转速
根据叶轮的形状和尺寸，计算离心泵的比转速，以优化水力性能。
确定叶轮的切割量
根据实际需要，对叶轮进行切割，以适应不同的工况条件。
离心泵的效率与性能提升
优化叶轮设计
通过改变叶轮的形状、叶片的弯曲度和进口直径等参 数，以提高水力效率。
选择合适的泵壳结构
离心泵叶轮切割方法与实例
离心、激光切割等。其中， 机械切割使用较为广泛，可对金属和非金属材料进行切割。 激光切割则具有高精度、高速度、高质量等优点。
离心泵叶轮切割实例
以某型号离心泵为例，通过切割叶轮，将泵的流量由原来的 100m³/h减小到80m³/h，同时扬程由原来的32m降低到 25m。根据比例定律，可以预测切割后泵的性能参数变化。
02
离心泵的比转速
比转速的定义与计算
比转速是指离心泵的流 量、扬程和功率等性能 参数之间的比例关系。
01
02
比转速 = (3.6*10^6/π^2 * Q^2 * H^(3/2) * N)^(1/5)
03
04
通常使用以下公式来计 算比转速
其中，Q为流量，H为 扬程，N为功率。
离心泵的比转速与性能关系
离心泵叶轮的三维CAD系统设计及仿真
50文章编号：1001-3997（2009）01-0050-03机械设计与制造Machinery Design ＆Manufacture第1期2009年1月离心泵叶轮的三维CAD 系统设计及仿真王新华马永超吴婷（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100022）Design and emulation of 3-D CAD system on centrifugal pump impellerWANG Xin-hua ，MA Yong-chao ，WU Ting（College of Mechanical Engineering &Applied Electronics technology ，Beijing Universityof Technology ，Beijing 100022，China ）【摘要】针对我国离心泵CAD 的研究和发展趋势，建立了基于Windows 环境下的开放式、可扩充的低、中、高比转速离心泵叶轮三维CAD 设计系统。
根据离心泵水力设计原则，完成了泵参数设计模块、叶轮参数设计模块、叶片绘型模块及接口输出模块的设计，开发了一套参数化CAD 设计系统，实现了离心泵叶轮空间扭曲叶片的三维实体造型设计及仿真。
关键词：叶轮；CAD ；系统设计；仿真【Abstract 】Toward the trends in research and development of CAD system in centrifugal pump ，an medium and high specific open-ended 3-D CAD system of centrifugal impeller is established about low ，speed based on Windows environment. According to the hydraulic design principle of centrifugal pump ，the impeller parameter ，blade plotting as well as interface parameters out －design modules of pump parameter ，putting are finished ，and a set of parameterized CAD design system is developed. Thus the 3-D solid mass design and emulation of spatial warping blade in centrifugal impeller is carried out.Key words ：Impeller ；CAD ；System design ；Emulation文献标识码：A2]。
离心泵叶轮的参数化设计_张人会
Parametric design of centrifugal pump impellers
Zhang Renhui，Zheng Kai，Yang Junhu，Li Rennian
（ School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050 ，China）
418
排灌机械工程学报
第 30 卷
在离心泵的传统设计方法中， 设计人员的经验 对泵产品的设计质量有很大的影响， 且优秀的水力 模型需要较长的设计周期， 优化设计难以进行． 这是 由于泵的水力性能与其复杂的内流道形状之间复杂 的隐式关系所致， 该问题在形状优化领域被称为具 也是流体 有流动约束的功能曲面的形状优化问题， ［1 － 2 ］ ． 早期的 力学、 优化理论等领域的研究热点问题 研究者 采用一元理论或试验的方法分析叶轮叶 片、 蜗壳等关键几何参数如叶轮外径、 叶轮出口宽 度、 叶片进出口安放角、 叶片包角、 叶片数、 蜗壳喉部 面积等对 泵 水 力 性 能 的 影 响 ． 近 年 来 ， 随着流动 计算技术的发展 ， 泵的水力性能可以由三维流场 的数值计算来进行 预 测 ， 从而可以实现基于数值 模拟的泵性能预测 基 础 上 的 泵 优 化 设 计 研 究 ． 从 优化方法的角度而 言 ， 可分为基于演化算法的泵 叶轮优化方法 、 基于 梯 度 优 化 方 法 及 基 于 试 验 设 计的响应面优化方 法 等 ． 基 于 演 化 算 法 的 优 化 方 法全局性好 ， 而且对 目 标 函 数 的 性 质 几 乎 没 有 特 但 对 于 自 变 量 维 数 较 大 的 情 况 下， 样本 殊 要 求， 数 大， 计 算 量 太 大． 基 于 梯 度 的 优 化 方 法 沿 着 目 标函数对 设 计 变 量 的 梯 度 方 向 逐 步 更 新 设 计 变 量， 其在离心泵设计 中 应 用 的 主 要 困 难 在 于 梯 度 矢 量 难 以 求 解， 计 算 量 大． 响 应 面 方 法 通 过 主 动 收集数据的方法 ， 应用统计学方法寻找目标函数 与各影 响 因 子 间 的 定 量 关 系 ， 计算成本大大降 ［5］ 已被用于离心压缩机的优化设计 ． 低， 文中在实现离心泵叶轮参数化设计的基础上， 采用响应面优化方法对离心泵叶轮进行优化设计研 究， 对控制变量进行编码变换， 试验设计及数值试 验， 根据试验结果进行二阶多项式响应面回归 ， 并在 二阶多项式响应面模型的基础上提出偏微分超曲面 响应优化模型．
离心泵叶轮的优化建议
离心泵叶轮的优化建议1、改善吸入性能叶轮叶片有两种弯曲型式：前弯曲和后弯曲。
由于后弯叶片叶轮在最大化动力、赋予流体高旋转力及防止脱流方面更有效，因此离心泵通常均采用后弯曲叶片叶轮。
对于泵本体来说，泵的汽蚀行为和吸入性能在很大程度上受叶轮入口的几何形状及面积的影响。
叶轮入口处的许多几何因素都会影响汽蚀，例如入口和轮毂直径、叶片进口角和上游液流的入射角、叶片数量和厚度、叶片流道喉部面积、表面粗糙度、叶片前缘轮廓等。
另外，还与叶轮叶片外径和导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）之间的间隙大小相关。
1）叶轮入口直径/入口面积为了改善离心泵的吸入性能，设计人员普遍通过加大叶轮入口直径的方法来实现。
今天，这种设计方法在离心泵的工程设计中还在一直使用。
在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情况下，吸入性能越好（叶轮入口面积越大，吸入比转速值越高），则叶轮口环处的间隙面积越大，这意味着泄漏量越大，而泵的效率就越低。
不过，对于通过加大叶轮入口直径来改善吸入性能的方法，必须特别注意：不能导致吸入比转速值严重超出相关标准规范（如UOP 5-11-7）规定的值，否则将导致泵的稳定运行区间变得很窄。
2）叶片前缘形状不同的叶轮叶片前缘形状进行了研究，结果表明，只要满足前缘叶片厚度的机械和制造约束，采用抛物线轮廓可以提高叶轮的吸入性能。
椭圆轮廓的吸入性能次之，该形状是前缘的默认轮廓选择，因为此轮廓可以轻松满足叶片前缘厚度的机械和制造限制。
3）叶轮盖板进口部分的曲率半径由于叶轮进口部分的液流在转弯处受到离心力作用的影响，靠前盖板处压力低、流速高，造成叶轮进口速度分布不均匀。
适当增加盖板进口部分的曲率半径，有利于减小前盖板处（叶片进口稍前）的绝对速度和改善速度分布的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而降低NPSHR，提高泵的抗汽蚀性能。
4）叶片进口边位置和进口部分形状叶片进口边轮毂侧向吸入口方向延伸，即采用后掠式的叶片进口边（进口边不在同一轴面，外缘向后错开一定的角度），可使轮毂侧液体流能够提前接受叶片的作用、并增加压力。
叶轮叶片数对不同比转速离心泵水动力性能的影响
叶轮叶片数对不同比转速离心泵水动力性能的影响离心泵是以液体为工作介质进行能量转换的一种机械设备,具有结构简单、启动方便、性能可靠等优点。
叶轮作为离心泵的核心过流部件,其形状主要由叶片型线、叶片厚度以及叶片数决定,因此这些参数会对离心泵的水动力性能产生重要影响。
目前国内外关于叶片型线及叶片厚度变化对不同比转速离心泵性能影响的研究成果较多,而关于叶片数对离心泵性能影响的研究则相对较少,因此本文着重分析叶轮叶片数对不同比转速离心泵水动力性能的影响,主要研究内容及结果如下:1.本文以3种不同比转速(n_s=32、96、232)的单级单吸离心泵为研究对象,分别选取叶轮叶片数Z=4、5、6、7和8的5种方案,基于SST k-ω湍流模型对各方案进行数值模拟,并结合离心泵整机试验结果对比验证数值计算的准确性。
结果表明,离心泵效率及扬程数值模拟结果与试验结果的误差均不超过5%。
2.通过模拟3种比转速离心泵的5种叶片数方案,研究不同流量工况下扬程和水力效率的变化,结果表明:不同比转速离心泵的扬程在整个流量范围内随叶片数的增加而升高,且小流量工况下扬程的上升速率均小于大流量工况,说明叶片数对不同比转速离心泵扬程的影响规律基本相同。
不同比转速离心泵的水力效率随叶片数的变化规律不同,低比转速离心泵设计工况点的水力效率随叶片数的增加呈现先升高后降低的趋势,叶片数为6时效率最高,泵最高效率点向大流量工况偏移;中高比转速离心泵的水力效率随叶片数的变化规律基本相同,设计工况点的水力效率随叶片数增加而升高,叶片数为8时达到最大值。
3.在外特性分析的基础上,研究了5种叶片数方案下不同比转速离心泵的内部流场特征,结果表明:随着叶片数的增加,不同比转速离心泵叶轮中间截面的压力分布更为均匀,且进口低压区范围变小。
中低比转速离心泵随着叶片数的增加,沿流线方向叶片载荷分布更为合理;而高比转速离心泵叶片载荷随着叶片数增加呈现较大的波动趋势。
通过分析叶轮中截面上相对速度与周向速度的分布可以看出,中低比转速离心泵随叶片数的增加,叶轮内速度分布更为均匀,出口尾迹-射流及二次流现象减弱,叶轮水力效率得到提高,这是因为更多的叶片数可以更好地约束液流,使得液流更为贴近叶片型线,泵内流动状况得到改善;而高比速离心泵由于流道较短,叶片扩散度较低,导致叶片对液流的约束较差,因此随叶片数增加,叶轮中间截面速度变化不大。
基于CFD技术的超低比转速离心泵叶轮的优化设计
第34卷第3期 机电卢品开发与创新Vol.34,No.3 2021 年 5 月D evelopm ent&Innovation of M achinery&Electrical P roducts M/y.，2021文章编号：1002-6673 (2021) 03-123-03基于CFD技术的超低比转速离心泵叶轮的优化设计赵秋红！张金秋(淄博市工程咨询院，山东淄博255000)摘要：离心果近年来在工业领域中得到了十分普遍的应用，而叶轮属于离心果的关键部件之一，叶轮设计在 很大程度上关系到离心泵的运行性能。
叶轮在离心泵中的受力状态较为复杂，不但会承受自传形成的离心力，同时其叶片还会承受流体高速运动带来的冲击力。
过去的叶轮设计往往是依靠统计的经验公式对其尺寸参数 予以确定，但这样的缺陷在于并未强调其内部流动状态的数值模拟，无法了解到叶轮实际的受力状态。
基于 此，本文结合笔者实际研究，探讨了基于C F D技术的超低比转速离心泵叶轮的优化设计。
关键词：C F D技术；离心泵；叶轮；优化设计中图分类号：T K72 文献标识码：A d〇i:10.3969/j.issn.1002-6673.2021.03.042Optimal Design of Impeller of Ultra-low Specific Speed Centrifugal Pump Based on CFD TechnologyZHAO Q iu-H ong，ZHANG jin-Q iu(Zibo City Engineering Consulting Institute，Zibo Shandong 255000，China)Abstract: Centrifugal p u m p has been widely used in the industrial f i eld in recent years，and the impeller i s one of the key components of the centrifugal p u m p，the impeller design i s largely related to the operation performance of the centrifugal p u m p.The force s t a t e of the impeller in the centrifugal p u m p i s more complex，which will not only bear the centrifugal force formed by the autobiography，but also bear the impact force caused by the high-speed movement of the fluid.In the past，impeller design often relied on s t a t i s t i c a l empirical formula to determine i t s si z e parameters，but such a defect i s that i t did not emphasize the numerical simulation of the internal flow state，unable to understand the actual s t a t e of the impeller force.Based on this，combined with the author's actual research，t h i s paper discusses the optimization design of the impeller of ultra-low specific speed centrifugal p u m p based on C F D technology.Keywords ：C F D technology%Centrifugal p u m p%The impeller%The optimization design0引言进人新世纪以来，水力机械的研究取得了突破性的 进展，由于水力机械关键的能量转换需要依靠叶轮以及 压水室来进行，叶轮属于其中的核心部件，其结构设计是 否科学合理在很大程度上影响到整个机组是否能够满足 工作要求。
离心泵叶轮流场数值模拟研究
离心泵叶轮流场数值模拟研究一、前言离心泵是一种常见的机械设备，广泛应用于水处理、石油化工、空调等领域。
其中，离心泵叶轮是其重要部件之一，其性能对整个离心泵的性能有着至关重要的影响。
因此，对离心泵叶轮进行流场数值模拟研究，进一步优化其设计是非常必要的。
二、离心泵叶轮的结构和工作原理离心泵叶轮是离心泵的核心部件之一，其结构通常由叶片、叶片轴等部分组成。
离心泵叶轮是通过电机的旋转带动液体呈离心运动，从而产生往前的推力，将液体输送至出口。
离心泵叶轮的运行状态对离心泵的性能有着至关重要的影响。
三、离心泵叶轮流场数值模拟研究离心泵叶轮的流场数值模拟研究可以帮助我们深入了解离心泵叶轮内部的流体运动规律，进而对离心泵叶轮的设计做进一步的优化。
1.数值模拟方法利用常见CFD（计算流体力学）软件，如ANSYS CFX、FLUENT等，可以对离心泵叶轮流场进行数值模拟。
数值模拟方法涉及到的关键参数包括离散格式、网格生成、边界条件等。
其中，网格生成对数值模拟结果影响较大，因此需要注意生成网格的密度、精确度等因素。
2.数值模拟结果离心泵叶轮的流场数值模拟结果通常涉及流速分布、压力分布、流动轨迹等参数。
通过这些参数，可以对离心泵叶轮的性能进行分析和评价。
另外，数值模拟结果还可以指导离心泵叶轮的改进设计。
四、离心泵叶轮流场数值模拟的应用离心泵叶轮流场数值模拟的应用范围广泛，主要涉及以下方面：1.离心泵叶轮的设计和优化流场数值模拟可以帮助我们深入了解离心泵叶轮内部的流体运动规律，即可对离心泵叶轮的设计和优化提供理论基础。
2.离心泵叶轮的性能评估根据数值模拟结果，可以对离心泵叶轮的性能进行评估分析，指导制定更为科学合理的使用方案。
3.离心泵的研究和开发离心泵是研究和开发的对象之一，通过离心泵叶轮流场数值模拟研究，可以为离心泵的研究和开发提供重要的参考依据。
五、结语离心泵叶轮的流场数值模拟研究可以为离心泵的设计和优化提供理论基础，加速离心泵产品的研发和应用。
清水离心泵再制造叶轮优化设计方法研究
清水离心泵再制造叶轮优化设计方法研究作者：张宇淞钱进邓传记王康杨柳来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2024年第03期摘要：针对广泛存在的数量众多、效率低下、结构陈旧、面临淘汰的离心水泵，探寻其叶轮再制造优化设计有效途径。
基于ANSYS workbench联合CFturbo，提出一种叶轮参数化仿真建模和叶轮优化设计的方法，借助ANSYS workbench响应面优化模块，以扬程不小于原始泵为约束条件，效率为目标函数，采用拉丁超立方抽样方法设计41组实验，建立响应面代理模型，并采用MOGA算法对低比转速离心泵进行寻优。
研究结果表明，该方法应用于某一低比转速离心式水泵，在其扬程不变的条件下，效率提高了2.11%，对清水离心泵叶轮再制造优化设计、提高离心泵运行效率有一定的参考价值。
关键词：离心泵；叶轮；再制造；参数化仿真；优化设计中图分类号：TH311文献标志码：A离心泵作为通用的流体机械设备之一，被广泛应用于石油化工、灌溉、火电厂等各种领域。
但是，面对出台的越来越严格的能效指标，如《中国节能技术政策大纲》明确指出发展高效率的泵，所以大量效率低下，结构陈旧的设备被淘汰，从而造成了严重的资源浪费。
再制造是以先进技术和产业化生产为手段，修复和改造废旧机电设备，使之恢复性能甚至获取新的性能，延长设备使用寿命。
再制造在节能、节材、降耗、减少污染和提高经济效益方面作用巨大。
对企业既能将能效低下、结构陈旧的离心式水泵进行再制造，还能提高离心泵的运行效率，同时能减少资源浪费，降低企业换泵成本。
符合国家绿色可持续发展的相关政策。
对离心式水泵的再制造是解决资源浪费的途径之一，而这一过程中，优化设计是再制造的基础，寻找离心泵的最佳效率和最优水力结构，延长离心泵的运行寿命是其关键。
传统的优化设计方法依靠大量的试验数据和设计者的优化经验，设计者通过改变单一几何参数等措施来提高离心泵的效率，万伦等［1］研究不同叶轮出口宽度对离心泵性能的影响，研究结果表明，适当增大叶轮出口宽度能提高离心泵的性能。
离心泵叶轮水力设计
设计题目：离心泵叶轮水力设计设计参数：流量0.1m3/s，扬程71.5m，转速1450rpm比转速：68.07目录一、已知设计参数二、速度系数法1.计算泵的比转速2.计算泵的进出口直径4. 计算叶轮进口直径D j5. 确定叶轮进口流速4. 确定叶轮叶片数z和叶片包角5. 确定叶轮叶片的出口安放角6. 确定叶轮外径D2及叶片厚度7. 确定叶轮出口轴面流速8. 确定叶轮出口宽度b29. 绘制叶轮的轴面投影图，检查过流面积变化10. 做叶片进口边11. 绘制轴面液流的流线（分流线） 三、 叶轮叶片的绘型1. 掌握方格网绘型的过程2. 掌握叶片木模图绘制过程3. 绘制木模图一、已知设计参数流量：Q=0.1m ³/s 扬程：H=71.5m 转速：n=1450rpm二、速度系数法1. 计算泵的比转速根据比转速公式s n ==435.711.0145065.3⨯⨯=68.07 故泵的水力方案为：单级单吸式离心泵。
2确定泵的总体结构形式进出口直径泵吸入口直径 泵的吸入口直径由合理的进口流速确定，而泵的入口流速一般为3m s 。
暂取2.7m s 泵的吸入口直径按下式确定S D =πs 4υQ =π⨯⨯7.21.04= 217mm取标准值220mm泵的排出口直径为D d = 0.8D s =220mm （因设计的泵扬程较低） t D —泵吸入口直径s D —泵排出口直径将选定的标准值代入上式，得泵的进出口流速为2.63m s 。
5确定比转速s n 和泵的水力方案根据比转速公式s n ==435.711.0145065.3⨯⨯=68.07 根据以往的运行经验。
依算得的s n =68.07，宜采用单级单吸的水力结构方案。
6估算泵的效率和功率查《泵的理论和设计》手册，根据经验公式得a 水力效率计算10.0835lg h η=+314501.0lg 0835.01+=0.884 取h η=0.88 b 容积效率23110.68v s n η-=+=3207.6868.011-⨯+=0.961取v η=0.96c 圆盘损失效率 76110.07()100m s n η=-=8710007.68107.01）（-=0.89 d 机械效率假定轴承填料损失约为2% ，则m η=0.89×0.98=0.87 f 总效率m v h ηηηη= =0.87×0.96×0.88=0.73 g 轴功率1000rQH N η==73.010005.711.0100081.9⨯⨯⨯⨯=96.08KW h 计算配套功率'N =KN=1.2×68.7=115.3KW K 取1.27叶轮主要参数的选择和计算叶轮主要几何参数有叶轮进口直径0D 、叶片进口直径1D 、叶轮轮毂直径h d 、叶片进口角1β、叶轮出口直径2D 、叶轮出口宽度2b 、叶片出口角2β和叶片数Z 。
基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计
基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计是一种应用先进的计算机算法进行流体机械设计的方法。
遗传算法是一种自然选择和遗传机制进行优化搜索的技术，其优越性在于对于多个目标进行优化时可以同时得到一组最优解，从而提高设计效率和质量。
离心泵是一种最常用的流体机械之一，其应用广泛，可以用于工业、建筑、农业等领域。
本文将介绍离心泵的设计原理、遗传算法的基本原理，以及将遗传算法应用到离心泵的设计中的具体过程和结果。
一、离心泵的设计原理离心泵的作用是将液体动能转换成压力能，液体进入泵体后，在泵轴上旋转的叶轮作用下，形成离心力使液体从叶轮中心向外流动，最后在泵壳中形成高压区域，由高压区域把液体输送到需要的地方。
在离心泵的设计中，需要确定的参数包括叶轮型号、叶片数、进口和出口通径、内径比、离心泵的转速等，这些参数的选择对泵的效率和质量有决定性影响。
在中低比转速的离心泵中，叶轮的速度通常在1500-3000 rpm之间，叶片数在3-12之间。
而泵的效率和流量多取决于叶轮的型号以及其进口和出口通径间的比值关系，因此，离心泵的优化设计更多考虑的是这些参数的选择与优化。
二、遗传算法的基本原理遗传算法是一种基于生物学进化遗传机制的优化算法。
其基本过程包括个体编码、适应度计算、选择交叉、变异和生成新群体。
遗传算法的种群大小、交叉率、变异率以及选择方式等参数对算法的收敛性和解的精度有决定性的影响。
一般而言，种群规模较大，交叉率适中，变异率较小，向更优解的选择方法会更有效。
在遗传算法中，个体编码是指将设计变量转化成染色体编码或二进制编码，其中每个编码位对应了一个设计变量。
在这里，我们可以将离心泵的设计变量（叶轮型号、叶片数、进口和出口通径、内径比）转化成二进制编码表示。
例如，叶片数可以用4位二进制数表示，进口和出口通径则可以转化成2位二进制数表示，其余设计变量的编码方式则可以根据实际需要进行确定。
中比转数离心泵内部流场的三维数值模拟
３Ｄ ｕｍ ｅ ｉａ ｉ ｕｌｔｏ ｎ ｉ ｔ ｒ ｌｆｏ ｆｅｄ ｉ ｎ ｒｃ ｌｓｍ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｅ ｎａ ｗ ｌ ｎ ｌ ｉ
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具有优 越的 水力性 能． 关键词 ：离心泵 ；叶轮 ； 优化 设计 ；数值模 拟
中 图分 类号 ： ２７ ９ Ｔ ３ ２ ￥７ ． ； Ｈ １
文献标 志码 ： Ａ
文章 编号 ： ６ ４— ５ ０ ２ １ ）４— ２ ２— ４ １７ ８ ３ （０ ０ ０ ０ ８ ０
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心泵 叶轮 内准三维正 问题 的数 值 计 算 ， 到 了轴 面速 度 分布 ． 用逐 点积 分 法进 行 叶 片骨 线绘 得 应 型， 在轴 面上加厚 叶 片 ， 保 角变换平 面上修 圆叶 片头部 ， 在 实现 了离心泵 叶轮 的反 问题设 计． 正反
问题 进行 迭代计 算求解 直至 收敛 ， 到 最 终设 计 的 叶轮． 用 Ｒ Ｇ ｋ一 得 采 Ｎ ８湍 流模 型 和 ＳＭ Ｌ Ｃ ＩＰＥ 算 法 ， 离心泵 叶轮 内三维流场进 行数值 模拟 ， 到 了叶轮 内压 力和 速度 分 布． 拟 结果 表 明设 对 得 模 计得 到 的叶轮 内部 压 力分布非 常均 匀 ， 流动稳 定无 分 离 ， 叶轮 出 １ ： ７能量 分布合 理 ， 所设 计 的 叶轮
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中 比转速 离 心泵 叶轮 的 优 化设 计 及数值 模 拟
谭 磊 ，曹树 良
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摘Байду номын сангаас
要 ： 于流体 流动 的连续 方程 和运 动方程 ， 基 通过 两类相 对流 面的迭代计 算 ， 实现 中比转速 离
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—一排灌机械工程学报 ■●—●嘲
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