离心泵叶轮轴面图的优化设计
离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化_王凯
采用 OLH 方法设计了 24 组方案，见表 2。
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
2 优化理论与方法
2.1 优化模型
离心泵叶轮轴面图水力优化问题的数学模型如下
求 x=[R0，R1，R2，T1，T2]T 使 ηh = ρ gQH / P → max
（1）
H = Δz + Poutlet − Pinlet ρg
（2）
P = N ⋅ 2πn 60
（3）
式中，x 为 5 维向量；ηh 为水力效率，%；H 为泵的扬程， m；Δz 为泵进、出口之间的位差，m；Pinlet 和 Poutlet 为泵 的进、出口总压，Pa，由 CFD 数值计算得到；P 为泵在 不考虑机械损失和容积损失的情况下的输入功率，W；N
37.91
94.52
72.66
13.39
34.43
96.61
72.83
12.70
37.22
94.17
73.01
15.65
38.26
97.65
图 3 软件集成框图 Fig.3 Impeller meridional shape
试验方案自动运行结束后，水力效率最高的那组方
第 10 期
王 凯等：离心泵叶轮轴面图的全自动 CFD 优化
41
案即为最优方案。 5）建立叶轮水力模型。 在优化得到的 R0、R1、R2、T1 和 T2 基础上，保持叶
片出口安放角、叶片数、包角、叶片厚度不变，采用泵 水力设计软件 PCAD 2010 对叶片进行设计，重新建立该 泵叶轮的水力模型，并对其进行 CFD 数值计算。
离心泵叶轮轴面图的优化设计
进行正交试验直观分析计算时，首先计算各因 素的水平总值。将第 i 列所安排因素的第 j 个水平
总值记为Tij 其值等于该因素在第 j 个水平所做的试
验（计算）结果之和。 例如第 1 个因素（R1)
第1 个水平总值为 T11 y1 y2 y3 y4 第2 个水平总值为 T12 y5 y6 y7 y8 第3 个水平总值为 T13 y9 y10 y11 y12 第4 个水平总值为 T14 y13 y14 y15 y16
素确定为 R1 、 R2 、 R3 、1 。
2.3 确定因素水平 因素所处的状态称为因素水平。因素水平的确
定往往受到一定的限制，相当于非线性规划中设计 变量的约素束条件，如:
前盖板型线小圆弧段BC 的半径 R1 的最小值受 叶轮铸造工艺的限制，通常 R1min 5 mm；而 R1 的最大值 R1max 0.5(D2 D j ) L2 。
Fpi f (Li ) 17.91Li 1661
离心泵叶轮轴面图的优化设计
于是可按式(4)确定评价指标 y F ,并设定
表 1 L16 (45) 正交试验直观分析计算表
试验号
因素1 R1 （mm）
因素2 R2 （mm）
因素3 R3 （mm）
因素4 L2 （mm）
因素5 α1 （°）
评价指标 y
前盖板型线中出口直线段DE与大圆弧段 CD
交点处至叶轮出口直径的距离 L2 的最小值取有实 际意义的 L2min 5 mm,其最大值应为
L2max 0.5(D2 D j ) R1
前盖板型线中出口直线段DE 与纵坐标的夹角
1 通常在 5°～8°范围，因此可得 1min 5 和 1max 8 。
满足精度要求,可终止计算。此时对应于该 y 值的
离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化
离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化王凯;刘厚林;袁寿其;吴贤芳;王勇【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2011(027)010【摘要】叶轮轴面图设计的好坏直接影响离心泵的效率.以轴面图上的前盖板圆弧半径R0和R1、前盖板倾角T1、后盖板圆弧半径R2后盖板倾角T2等5个几何参数为自变量,以泵水力效率最大为目标,采用Isight集成Pro/E、Gambit和Fluent 等软件,实现了对离心泵叶轮轴面图进行CFD全自动优化.优化样本数据设计采用最优拉丁方试验设计方法确定.采用该方法对—比转数为84.8的离心泵进行优化.结果表明:优化后的扬程比优化前提高了4.85％,且优化后的水力效率从83.20％增加到84.51％,提高了1.31个百分点.因此,建立的叶轮轴面图全自动CFD优化方法是可行有效的,可为离心泵的水力优化设计提供参考.%The design of impeller meridional shape influences directly efficiency of centrifugal pumps. A hydraulic optimum design method of impeller meridional shape for centrifugal pumps was presented. The shroud radius Ro and Ri, shroud angle T1 hub arc radius R2 and hub angle T2 on the meridional shape were selected as the optimum variables and the maximum of hydraulic efficiency was chosen as the objective function. The Isight software was used to integrate Pro/E, Gambit and Fluent, and the CFD automatic optimization of impeller meridional shape was realized. Optimal Latin hypercube experimental design method was used to produce data samples. A centrifugal pump with special speed of 84.8 was optimized withthe method. The results show that the optimized head has increased by 4.85% than that of original design and the optimized hydraulic efficiency increases from 83.20% to 84.51% which improved 1.31 percentage points. Therefore, the automatic CFD optimum method of impeller meridional shape for centrifugal pumps is feasible and could provide a certain reference for optimum design of other pumps.【总页数】5页(P39-43)【作者】王凯;刘厚林;袁寿其;吴贤芳;王勇【作者单位】江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH311【相关文献】1.离心泵叶轮轴面图的3点水力优化 [J], 王凯;刘厚林;袁寿其;吴贤芳;王勇2.离心泵叶轮轴面图的绘制 [J], 胡家顺;李翔;王敏辉;余猛3.离心泵叶轮轴面图的优化设计 [J], 王敏辉;余猛;胡家顺;李翔4.用流道中线法绘制离心泵叶轮轴面图的改进 [J], 胡家顺;沈飞;陈斌;余猛5.叶轮轴面图参数对离心泵性能的影响 [J], 马皓晨;王凯;吴贤芳;陈新响;周孝华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于离心泵参数优化设计及分析
基于离心泵参数优化设计及分析为了解决离心泵扬程短、功率小的问题，文章对离心泵的参数进行了优化分析，其中包括：离心叶轮CAD参数优化设计、内流参数优化设计以及响应曲面参数优化设计。
优化设计为得到高性能运行稳定的离心泵研发提供了保证，也将会创造不可估计的社会效益和经济效益。
标签：离心泵；优化设计；水断面；流体半径引言原有离心泵在设计结构上存有一定的缺陷因素，无论是在扬程方面还是在电机运行功率方面都难以达到实际要求。
而现有模式中通过对离心泵参数的优化设计，不但解决了扬程短、功率小的缺陷，而且在离心泵叶轮设计结构上也有了一定的突破，提高了设备的运行效率。
1 离心泵叶片设计优化近年来，国内针对离心泵叶片设计的研究有了一定的突破，其中针对叶片安放角、叶片数量以及叶片出口宽度等进行了优化设计分析，叶片安放角指的是叶轮叶片进口与出口之间的夹角，若出口与进口的夹角越大，运行时产生的流体压强便越大；设计优化过程中对叶片安放角采用极限最大值算法，数值取无穷大时，该极限值会趋于0；取0时，该极限值会趋于无穷大；取定某一值时，便会趋于一个特定的数值，该数值便为叶片安放角的角度，即。
叶片数的优化设计需要根据叶轮的半径进行制定，假设在模拟过程中，设定叶轮半径维数变量为n，则在优化设计过程中需要进行2n次的流场计算，才能得到较为合理的叶数值。
针对叶片出口宽度方面的优化设计，叶片宽度根据叶片包角和叶片数量进行选定，设定叶片的包角为&、比转数为ns、z为叶片数，一般包角&的取值在90-120°，比转数固定，根据参数代换便可求出叶片出口宽度。
这种方案在现如今离心泵优化设计中较为普遍，并取得了较好的试验成果。
2 离心泵参数优化设计2.1 离心叶轮CAD参数优化设计离心叶轮CAD设计采用的是三维模式，但是由于传统设定的设计参数较为复杂，所以给叶轮流动结构的设计加大了难度。
如图1所示，在叶轮流体半径设计中，通过改变外侧半径Rc以及流道中线的长度增大离心叶轮过水断面的面积F，但是随着长度L的增加，该面积便会趋于一定峰值。
离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究
离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究离心泵是一种常用的流体机械设备，广泛应用于工业生产和民用领域。
其工作原理是通过离心力将液体推向出口，实现流体输送的目的。
离心泵的性能直接受到叶轮和蜗壳的设计参数的影响，因此对这些几何参数进行优化研究，可以改善离心泵的工作效率和节能性能。
叶轮是离心泵的核心部件，其结构形式多样，包括正向叶轮、背靠背叶轮和双吸入流通道叶轮等。
在进行叶轮设计时，需要考虑叶轮的轴长、轴功率、进口直径和出口直径等参数。
叶轮的直径越大，对应的扬程和流量也会增加，但是叶轮过大会导致泵的体积增大，造成不必要的浪费。
轴功率则与流量和工作压力有关，合理控制轴功率可以提高泵的工作效率。
另外，在叶轮的设计中，还需要考虑叶片的形状、数量和间隙等因素。
叶片的形状通常遵循空气动力学原理，采用弯曲或弯折形式，以减小流体在泵内的速度和压力变化，并提高泵的稳定性。
蜗壳是离心泵的另一个重要部件，其作用是引导进入泵的液体流向叶轮，并将离心泵的压力能转化为流体动能。
蜗壳的几何参数包括进口直径、出口直径、蜗舌角度和蜗舌长度等。
进口直径和出口直径是决定流量和扬程的关键参数，通常根据泵的设计工况和流体性质来确定。
蜗壳的设计还需要考虑蜗舌角度和蜗舌长度，这两个参数对泵的效率和稳定性影响较大。
蜗舌角度越小，流体在蜗壳内的速度变化越小，从而减小能量损失；而蜗舌长度越长，流体在蜗壳内的速度变化越平缓，减少压力波动和振动。
离心泵叶轮与蜗壳的几何参数优化研究的目标是找到一组最佳参数组合，使得离心泵在给定的工况下能够实现最大的效率和能量转换。
该研究可以通过理论计算、数值模拟和实验测试等方法进行。
对于叶轮的优化研究，可以通过设计不同形状和数量的叶片，采用数值模拟方法进行性能评估，并通过实际测试验证。
对于蜗壳的优化研究，可以通过调整进出口直径和蜗舌角度等参数，采用CFD模拟方法进行性能预测，并通过试验验证。
在离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究中，需要考虑的因素很多，如流体性质、工况参数、材料选择等，且不同泵的要求和工况也存在差异。
基于ANSYS的离心泵叶轮优化设计
Ｑ
ｃ ． ＞９ ０。
Ｑ
图 ２ 叶片 出口角 对 泵性 能 的影响
１ ２ 叶轮 出 口宽 度 ｂ ． ：的影 响 叶轮 出 口宽 度 ｂ 对泵 性能 曲线 的影 响如 图 ３
不低的。在机械损失 中， 轴承和密封损失功率所 占比重不大 ， 而且泵的比转数越低 ， 其轴承和密封 损失越小 。目前圆盘摩擦损失 Ⅳ 常采用下式估
（ 试验 室为 Ｂ级 ） 图 １所 示 。 由图 １可 以看 如
泵 的特性曲线的差别是液体在泵 内不同运动 状态的外部表现形式 ， 而运动状 态是 由泵过流部 件的几何形状决定的。下面就叶轮出口几何参数 对泵特性曲线及效率 的影响进行分析。
１ １ 叶片 出 口角 Ｊ ． Ｂ ２的影 响 叶片 出 口角 对 泵 性 能 曲线 的 影 响 如 图 ２
化设计 。结果表 明， 优化后叶轮 的圆盘摩擦损 失有较为显著的下 降， 泵的效率有所提 高。
关 键 词 离 心 泵 中图分类号 叶轮 优 化 设 计 文献标识码 Ａ 文章编 号 ０ ５ －０４ ２ １ ） ２０ ６ －５ ２ ４６ ９ （ ０ ０ ０ －１５０ Ｔ ０ １２ Ｑ ５．１
图 １ Ｌ ５ ．６ Ｂ ０ １ ０型 离心泵原 设 计泵性 能 试验 曲线
离心泵效率为 目标 的叶轮优化设计数学模 型， 对 Ｌ ５ －６ 离心 泵 的 叶 轮 直 径 和 出 口几 何 参 数 Ｂ ０１０型 进行 了优化设计 ， 实现从静态分析向动态分析、 从
按 经验设 计 向优化 设计 的转变 。 １ 原 设计泵 性 能 曲线的 分析 Ｌ ５—６ Ｂ０１０型离 心 泵 原 设 计 泵 性 能 试 验 曲线
传统的离心泵设计方法是建立在一元理论和 相似理论基础上的模型换算法 和速度系数法 ， 速 度系数法和模型换算法实质上是相同的。目前国 内资料 大 多 基 于 Ｓｅｎｏ 早 期 统 计 结 果 … 。 国 ｔｐｎｆ
离心泵叶轮轴面图的3点水力优化
Ｗ ＡＮＧ ｉ Ｌ Ｕ ｕ ｉ ＹＵＡＮ ｈ ｕ ｉ Ｗ Ｕ ａ ｆ ｎ Ｗ ＡＮＧ ｎ Ｋａ ， Ｉ Ｈｏ ｌｎ， Ｓ ｏｑ， Ｘｉｎ ａ ｇ， Ｙｏ ｇ
（ ｅｅ ｒｈＣ ｎｅ ｌｉ Ｍａｈｎ ｒ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ ， ｉ ｇｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ ， ｈ ｎｉ ｇ２ ２ １ ， ｈ ａ Ｒ ｓａｃ ｅ ｔｒ ｆ ｕ ｃ ｉｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｊ ｎ ｓ ｎ ｅｓ ｙ Ｚ ｅ ｊ ｎ １ ０ ３ Ｃ ｉ ） ｏＦ ｄ ｙ ｉ ｏ ａ ｖ ｉ ａ ｎ
ｐ ｍｐ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ｕ ｓｗａ ｒ ｓ ｎｅ ．Ｔ ｅ ｓ ｒ ｕ ｒ ａ ｉ ｓ ｈ ｏ ｄ ａ ｇｅ，ｈ ｂ ａ ｃ ｒ ｄ ｕ ，ａ ｄ ｈ ｂ ａ ｇｅ ｏ ｅ ｄ ｕ ｌ — ｒ ｈ ｈ ｏ ｄ ａ ｃ ｒ ｄ ｕ ，ｓ ｒ ｕ ｎ ｌ ｕ ｒ ａ ｉ ｓ ｎ ｕ ｎ ｌ ｆｔ ｏ ｂ ｅ ａ ｃ ｍｅ ｈ
中图分类号 ：Ｈ １ 文献标 志码 ： 文章编号 ：０ ６７４ （０ ２ ０ －８４０ Ｔ ３１ Ａ １０ － ３ ２ １ ）７０ ３ －５ ０
Ｔｈｒ ｅ ｐ ｉ ｔ ｈ ｄ ａ ｌ ｐ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｍ ｐ ｌ ｒ ｅ － ｏ ｎ ｙ ｒ ｕ ｉ ｏ ｔｍ ｚ ｔｏ ｆ ｉ ｅ ｌ ｃ ｅ ｍ ｅ ｉ ｉ ｎ ｌｐ ａ ｅ ｆ ｒ ｃ ｎ ｒ ｆ ｇ ｌｐ ｍ ｐ ｒ ｄ ｏ ａ ｌ ｎ ｏ ｅ ｔ ｉｕ ａ ｕ ｓ
离心泵叶轮轴面图的优化设计
后 盖板 型线 圆弧段日Ｇ的半 径 尺 的最小值 和最 ，
第３ ２卷 第 ３期
２ １ 年 ６月 ０１
化 工装 备技 术
５ ３
离心泵 叶轮轴面 图的优化 设计
王敏 辉 余 猛 胡 家顺 李 翔
（ 中船重 工集 团七一二研究所 ） （ 武汉工程大学机 电工程学 院）
摘 要 在 叶 轮 轴 面投 影 图绘 制 方 法 的基 础 上 ，用正 交设 计 方 法 完成 对 流道 型 线进 行 反 复 检 验一 整 、修 改 的优化 ，以取得 较 为理 想 的叶轮 轴 面投 影 图。 调
Ｗａ ｇＭｉｈ ｉ ｎ ｎ ｕ ＹｕＭｅ ｇ ｎ ＨｕＪａｈ ｎ Ｌ Ｘｉ ｇ ｉｓ ｕ ｉ ａ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ａ ｔ ｌ ｉｃ ｓ ｅ ｈ ｔ ｏ ｆ ｕ ｉ ｇ ｒ ｏ ｏ ａ ｄ ｓｇ ｏ ｃ ｎ ｕ ｔ ｉ ｒ ｃｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｓ ｏ ｔ ｇ ｎ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ｄ ｃ ｍｕ ｔ ｌ ｎ ｐ ｃｉ ｎ ， ｉ ｎ ｈ ｌｐｅ ｉｓ ｅ ｔ ｓ ｉ ｏ
到 最好 （ ）的试验 结果 。 优
０ 引 言
当正交设 计 用于 优化 计算 时 ，以上 所说 的 “ 试 验 ”就 是访 问 目标 函数 的一次计 算 。也 即用 正 交设 计进 行 优化 计算 时 ，可用 较少 的访 问 目标 函数 的计
算 次数 得到 最优 解 。 用 正交设 计 方法 进行 优化计 算 可归 结 为如 下过
ｐｏ ｉｇ ｔｏ ，ｏ ｃ ｉ ｅ ｈ ｔ ａ ｉ ｅｌ ｉ — ｌｎ ｒｊｃｄａ ｉｇ ｌｔｎ ｈ ｄｔ ａｈｅ ｅｏ ｉ ｌｍｐｌ ｒ ｘａ ｐａｅｐｏｅｔ ｒ ｎ． ｔ ｍｅ ｖｔ ｐｍ ｅａ ｌ ｗ
离心泵叶片的参数化设计及其优化研究
离心泵叶片的参数化设计及其优化研究离心泵叶片的参数化设计及其优化研究一、引言离心泵作为一种常用的流体输送设备，广泛应用于各个领域，如农田灌溉、工业制造、城市供水等。
离心泵的性能直接影响到其输送效率和工作稳定性，而离心泵叶片作为重要组成部分之一，对泵的性能起着至关重要的作用。
因此，对离心泵叶片的参数化设计及其优化研究具有重要的理论价值和实践意义。
二、离心泵叶片的参数化设计方法离心泵叶片的参数化设计是指对离心泵叶片几何形状进行数学描述，并通过改变参数来控制叶片的形状。
常用的参数化设计方法包括几何参数法、本构参数法和控制点参数化法等。
1. 几何参数法几何参数法是基于对离心泵叶片的几何特征进行数学建模的方法。
通过定义一组几何参数，如叶片弯度、扭曲角度等，来描述叶片的形状和曲线特征。
然后，通过调整这些参数的取值，可以实现对叶片形状的控制和调整。
2. 本构参数法本构参数法是基于材料力学理论的方法，通过定义一组本构参数，如叶片的刚度、弹性系数等，来描述叶片的力学特性。
然后，通过调整这些参数的取值，可以实现对叶片的力学性能进行优化和调整。
3. 控制点参数化法控制点参数化法是一种基于控制点的方法，通过选择叶片上的关键控制点，并在这些控制点上定义参数，来描述叶片的形状。
然后，通过调整这些参数的取值，可以实现对叶片形状的调整和优化。
三、离心泵叶片参数化设计的优化研究方法离心泵叶片的参数化设计过程中，如何选择和调整参数的取值，以实现对叶片形状的优化和调整，是一项复杂而关键的研究内容。
1. 多目标优化方法离心泵叶片的参数化设计问题通常涉及到多个目标，如提高泵的输送效率、降低泵的能耗等。
为了解决多目标优化问题，可以采用多目标优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，来搜索叶片参数空间中的最优解。
2. 响应面方法响应面方法是一种基于统计建模的方法，通过建立叶片形状与性能指标之间的关系模型，来预测叶片形状的最优取值。
通过对响应面模型进行插值和优化计算，可以实现对叶片形状的优化和调整。
离心泵叶轮轴面图的3点水力优化_王凯
第33卷第7期哈尔滨工程大学学报Vol．33ɴ．72012年7月Journal of Harbin Engineering UniversityJul．2012离心泵叶轮轴面图的3点水力优化王凯，刘厚林，袁寿其，吴贤芳，王勇（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013）摘要：叶轮轴面图设计的好坏直接影响离心泵效率，以双圆弧轴面图上的前盖板圆弧半径、前盖板倾角、后盖板圆弧半径、后盖板倾角几何参数为自变量，以3个工况点的加权平均水力效率最大为目标，采用Isight 集成Pro /E 、Gambit 和Flu-ent 对离心泵叶轮轴面图进行自动数值优化．采用超传递近似法来确定3个目标函数的权重因子．采用最优拉丁方试验设计方法确定优化样本．并采用该方法对一比转数为84．8的离心泵在0．8、1．0和1．2倍设计流量下的水力性能进行了优化．结果表明：优化后的3个工况点的加权平均水力效率提高了1．42百分点．因此，建立的离心泵叶轮轴面图的3点水力优化方法是可行有效的．关键词：离心泵；叶轮轴面图；水力优化；最优拉丁方doi ：10．3969/j．issn．1006-7043．201108007网络出版地址：http ：//www．cnki．net /kcms /detail /23．1390．U．20120617．2133．010．html 中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1006-7043（2012）07-0834-05Three-point hydraulic optimization of impeller meridional plane for centrifugal pumpsWANG Kai ，LIU Houlin ，YUAN Shouqi ，WU Xianfang ，WANG Yong（Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology ，Jiangsu University ，Zhenjiang 212013，China ）Abstract ：In light of the fact that the design of meridional plane of impellers directly influences the efficiency ofcentrifugal pumps ，a three-point hydraulic optimum design method of impeller meridional plane for centrifugalpumps was presented．The shroud arc radius ，shroud angle ，hub arc radius ，and hub angle of the double-arc me-ridional plane were selected as the design variables ，and the maximum of the weighted average hydraulic efficiency in the three operation conditions was chosen as the objective function．Simulation optimization of the impeller me-ridional plane was automated numerically by using Isight integrated Pro /E ，Gambit and Fluent software．The super-transitive approximation method was applied to fix optimal weight factors of three individual objective functions．The optimal Latin hypercube experimental design method was used to produce data samples．The hydraulic performanceof a centrifugal pump with a specific speed of 84．8at 0．8，1．0，1．2times of the design flow rate was optimized u-sing the method．The results show that the weighted average hydraulic efficiency in the three operation conditions improves by 1．42percentage points．Therefore ，the three-point hydraulic optimum design of impeller meridionalplane for centrifugal pumps is feasible．Keywords ：centrifugal pumps ；meridional plane of impellers ；hydraulic optimization ；optimal Latin hypercube 收稿日期：2011-08-06．网络出版时间：2012-6-1721：33．基金项目：国家杰出青年基金资助项目（50825902）；国家自然科学基金资助项目（51079062，51179075）；江苏省自然科学基金项目（BK2009006，BK2010346）；江苏省科技成果转化专项资金项目（BA2010155）．作者简介：王凯（1981-），男，博士研究生；刘厚林（1971-），男，研究员，博士生导师．通信作者：王凯，E-mail ：wangiak@yahoo．com．cn．在设计离心泵叶轮轴面图时，一般选择相近比转数、性能良好的叶轮轴面图作为参考，在确定叶轮出口直径、出口宽度、进口直径和轮毂直径之后，即可绘制叶轮轴面图．叶轮轴面图的形状十分关键，特别是轴面图上前、后盖板圆弧半径和倾角，设计不好会导致泵性能和效率明显下降［1-2］．目前，对离心泵叶轮轴面图的研究主要集中在设计方面［3-7］，而对叶轮轴面图上控制参数的优化研究较少，因此有必要对其进行深入的研究．近年来，计算流体力学（CFD ）技术已广泛应用于离心泵设计及优化中［8-10］，并取得了较为理想的结果．但在基于CFD 的离心泵优化设计方面，基本都是对离心泵设计工况的性能进行单目标（或多目标）优化设计，对离心泵的多工况CFD 优化研究较少．本文提出一种基于CFD 数值计算的离心泵叶轮轴面图全自动3点水力优化方法，并应用该方法对一比转数为84．8的离心泵叶轮轴面图进行优化，以提高其0．8、1．0和1．2倍设计流量的加权平均水力效率．1控制参数绘制叶轮轴面图的方法有很多，一般采用单圆弧法和双圆弧法进行绘制．其中，单圆弧轴面图上的前盖板型线由1段直线和1段圆弧组成，后盖板由1段直线和1段圆弧组成；而双圆弧轴面图上的前盖板型线由1段直线和2段圆弧组成，后盖板由1段直线和1段圆弧组成．实践证明，双圆弧法轴面图优于单圆弧轴面图［11］．叶轮双圆弧轴面图如图1所示．从图1中可以看出：叶轮出口直径D 2、出口宽度b 2、进口直径D j 和轮毂直径d h 等参数确定后，轴面图上控制参数为前盖板圆弧半径R 0和R 1、前盖板倾角T 1、后盖板圆弧半径R 2、后盖板倾角T 2．本文选择对双圆弧轴面图上R 0、R 1、R 2、T 1和T 2进行优化，以提高离心泵3个工况点的加权平均水力效率．图1叶轮双圆弧轴面图Fig．1Impeller meridional plane2优化理论与方法2．1优化模型离心泵叶轮轴面图3点水力优化问题的数学模型如下：求x =［R 0R 1R 2T 1T 2］T，使ηh =Σηhi （x ）W iΣW i→max ．其中：ηhi =ρgQ i H i /P i ，H i =Δz +P outlet ，i －P inlet ，iρg，P i =N i2πn60．式中：x 为5维向量；ηh 为3个工况点的加权平均水力效率；i 为工况点，i =1，2，3；ηhi 为各个工况点的水力效率；W i 为各个工况点的权重因子；Q i 为各个工况点下的流量，m 3/s ；H i 为各个工况点下的扬程，m ；Δz 为泵进、出口之间的位差，m ；P inlet ，i 和P outlet ，i 为各个工况点的进、出口总压，由CFD 数值计算得到，Pa ；P i 为在不考虑机械损失和容积损失的情况下各个工况点的输入功率，W ；N i 为各个工况点的叶轮力矩，由CFD 数值计算得到，N ·m ；n 为电机转速，r /min．2．2各目标权重因子的确定采用Narasimhan 提出的超传递近似法来确定目标函数的权重因子［12］，即首先在目标之间两两比较生成二元比较矩阵，进而求得超传递近似矩阵，最后用特征向量法求出该矩阵最大特征值对应的特征向量（即各目标的权重因子）．2．3OLH 试验设计方法试验设计的目的是在整个设计空间选取有限的样本点，使其尽可能地反映设计空间的特性［13］．采用OLH 试验设计方法获取试验样本点．OLH 试验设计方法是在拉丁方试验设计的基础上运用优化算法使其采样点尽可能地均匀分布在设计空间中．2．4优化方法离心泵叶轮轴面图全自动3点水力优化方法采用OLH 确定试验样本，并以R 0、R 1、R 2、T 1、T 2为设计变量，3个工况点的加权平均水力效率最大为目标进行自动数值优化，最终给出一组加权平均水力效率最高的方案．其设计流程如下：1）采用OLH 试验设计方法确定试验样本，并采用超传递近似法确定各目标函数的权重因子．2）保持叶片的几何参数不变．保持叶片进出口安放角、进口边位置、叶片数、包角、叶片厚度等几何参数不变，并延长前、后盖板处待优化的叶片形状，以满足所有优化方案的要求．3）建立批处理文件和命令流文件．建立批处理文件RunProE．bat ，用于打开Pro /E 并读取文件input．txt ，使叶轮和蜗壳的装配件自动更新，并输出pump．stp 文件．建立批处理文件RunGambit．bat ，以打开Gambit 并读取mesh．jou 命令流文件，自动导入pump．stp 文件、网格划分等操作，最后生成pump．msh 文件．分别建立3个工况下的批处理文件RunFlu-ent1．bat 、RunFluent2．bat 和RunFluent3．bat ，其主要功能是打开Fluent ，然后分别读取solve1．jou 、solve2．jou 和solve3．jou 命令流文件，自动读入pump．msh 文件，并生成output1．txt 、output2．txt 和·538·第7期王凯，等：离心泵叶轮轴面图的3点水力优化output3．txt 文件．4）根据试验样本自动三维造型、网格划分和数值计算，并从中选优．采用Isight 3．5软件集成Pro /E 、Gambit 、Fluent 软件的批处理文件和各命令流文件（如图2所示），以便自动改变input．txt 文件中5个设计变量值、划分网格、数值计算，并自动将计算得到离心泵3个工况下的进、出口总压以及叶轮扭矩分别输出到out-put1．txt 、output2．txt 和output3．txt 文件中．试验方案自动运行结束后，加权平均水力效率最高的那组方案即为最优方案．5）建立叶轮水力模型．在优化得到的R 0、R 1、R 2、T 1和T 2基础上，保持叶片出口安放角、叶片数、包角、叶片厚度不变，采用泵水力设计软件PCAD 2010对叶片进行设计，以建立该泵叶轮的多工况水力模型，并对其进行CFD 数值计算．图2软件集成框图Fig．2Sketch of software integration3运行实例采用上述建立的离心泵叶轮轴面图3点水力优化方法对一比转数n s =84．8的离心泵进行优化．该泵的设计流量Q d =50m 3/h 、扬程H =36m 、转速n =2900r /min．图3方案1的计算网格（网格数的1/20）Fig．3Meshes of scheme 1（1/20of mesh number ）主要几何参数如下：叶轮进口直径为75mm ，叶轮出口直径174mm ，叶片数为6，叶轮出口宽度为12mm ，叶片出口安放角为29ʎ，轮毂直径为20mm ，叶片包角为130ʎ，蜗壳喉部面积为1761．5mm 2，蜗壳基圆直径为184mm ，蜗壳进口宽度为20mm ，隔舌安放角为25ʎ．3．1优化方案设计变量的初始值为R 0=72．4mm 、R 1=14mm 、R 2=36mm 、T 1=96ʎ、T 2=92ʎ．其取值范围如下：R 0∈［70．4，74．4］、R 1∈［12，16］、R 2∈［32，40］、T 1∈［94，98］、T 2∈［90，94］．采用OLH 方法设计了24组方案．采用超传递近似法确定0．8Q d 、1．0Q d 和1．2Q d 的目标权重因子．根据实践经验认为：1．0Q d 重要性是0．8Q d 和1．2Q d 的1．5倍、1．2Q d 重要性是0．8Q d 的1倍，则3个工况下各目标函数的权重因子分别为：0．28571429、0．42857142、0．28571429．3．2网格划分与数值计算方法3．2．1网格划分采用混合网格进行划分，叶轮和蜗壳的网格间隔长度都为1．8．方案1的网格数为：343977（叶·638·哈尔滨工程大学学报第33卷轮）、538273（蜗壳）．如图3所示．3．2．2数值计算方法采用三维定常N －S 方程和SST k －w 湍流模型对不同方案下的离心泵进行数值计算．进口采用速度进口边界条件，出口采用自由出流．叶轮流道区域采用旋转坐标系，旋转方向为沿Y 轴正向，转速为2900r /min ；蜗壳流道区域为静止系．壁面上的流体满足无滑移条件，近壁区采用标准壁面函数法处理．压力和速度的耦合采用SIMPLE 方法．残差精度设为10－4．3．3优化结果在配置为64位Windows XP 系统、3．0GHz 主频、4G 内存的计算机下，自动运行约158h 32min迭代结束，其结果如表1所示．从表1中可以看出：方案22的加权平均水力效率最高，为82．83%．基于方案22，采用PCAD 2010对该离心泵叶轮进行重新设计．图4给出了优化前、后的叶轮轴面图，其虚线为优化后的轴面图．从中可以看出：前盖板圆弧半径R 0、后盖板圆弧半径R 1大于初始设计值，而前盖板圆弧半径R 2、前盖板倾角T 1、以及后盖板倾角T 2比优化前的设计值要小．图4优化后的叶轮轴面图Fig．4Meridional plane of optimized impeller采用混合网格对叶轮进行划分，网格间隔长度为1．8，网格数为327985．并采用上述数值计算方法对其进行CFD 数值计算．优化前后数值计算结果列于表2中．可以看出：优化后0．8、1．0和1．2倍设计流量下的扬程、功率和水力效率均大于优化前的扬程、功率和水力效率．其中，3个工况下的扬程分别增加了2．70%、3．36%和1．85%；3个工况下的功率分别增加了1．73%、1．63%和1．72%；3个工况下的效率分别增加了0．66百分点、1．42百分点和2．18百分点．虽然优化后的3个工况加权平均功率增加了1．72%，但其3个工况的加权平均水力效率从82．68%增加到84．10%，提高了1．42百分点．因此，本文建立的离心泵叶轮轴面图的3点优化方法是可行的，能够扩大其高效区范围，并为其他泵的水力优化设计提供了一定的参考．表1优化结果Table 1Optimal results方案R 0/mm R 1/mm R 2/mm T 1/（ʎ）T 2/（ʎ）ηh /%170．4015．6538．2696．0992．6182．56270．5713．7432．7095．0491．5782．70370．7512．7039．6597．3092．0982．27470．9212．0038．6196．4393．1382．33571．1014．2636．1795．9192．9682．55671．2715．4839．3098．0092．7882．30771．4412．8733．3995．3990．7082．71871．6213．5738．9694．5292．2682．47971．7915．3035．4897．4890．1782．521071．9716．0040．0094．3593．3082．551172．1413．3936．5294．0093．4882．721272．3112．3532．3596．9691．7482．601372．4914．0934．4396．2690．3582．591472．6612．5236．8795．7490．0082．371572．8313．0437．9197．1391．2282．341673．0114．9632．0094．8791．9182．821773．1812．1734．0997．6593．8382．381873．3615．1333．7494．1791．3982．351973．5315．8335．8396．6190．5282．572073．7013．2237．5797．8391．0482．362173．8814．4337．2296．7894．0082．472274．0514．6133．0494．7090．8782．832374．2314．7835．1395．5792．4382．672474．413．9134．7895．2293．6582．65表2优化前后结果对比Table 2Comparison before and after optimization优化R 0/mm R 1/mm R 2/mm T 1/（ʎ）T 2/（ʎ）H 1/m H 2/m H 3/m P 1/kW P 2/kW P 3/kW ηh1/%ηh2/%ηh3/%ηh /%优化前72．4014．0036．0096．0092．0038．1137．5136．175．206．146．9779．8683．2084．7282．68优化后74．0514．6133．0494．7090．8739．1438．7736．845．296．247．0980．5284．6286．9084．10·738·第7期王凯，等：离心泵叶轮轴面图的3点水力优化4结论1）以Isight为平台，集成Pro/E、Gambit和Flu-ent，从而实现了3个工况点下离心泵叶轮轴面图自动数值优化．该方法采用最优拉丁方试验设计方法进行样本数据设计，并以叶轮轴面图上前、后盖板圆弧半径和倾角为设计变量，3个工况点加权平均水力效率最大为目标，其中3个目标函数的权重因子采用超传递近似法来确定．2）采用该方法对一比转数为84．8的离心泵进行了验证．数值计算结果表明：优化后0．8、1．0和1．2倍设计流量下的扬程、功率和水力效率均大于优化前，并且优化后3个工况点的加权平均水力效率提高了1．42百分点．3）本文建立的离心泵叶轮轴面图的3点优化方法是可行的，扩大了其高效区范围，同时为其他泵的改进和优化提供了一定的借鉴．参考文献：［1］KARASSIK I J，MESSINA J P，COOPER P，et al．Pump handbook［M］．4th ed．New York：McGraw-Hill Profes-sional，2008：37-38．［2］关醒凡．现代泵理论与设计［M］．北京：中国宇航出版社，2011：264-265．GUAN Xingfan．Modern pumps theory and design［M］．Bei-jing：China Astronautic Publishing House，2011：264-265．［3］李龙．离心泵叶轮轴面流道的研究［J］．农业工程学报，1996，12（4）：108-112．LI Long．Study on meridian passage of impeller in centrifugal pumps［J］．Transactions of CSAE，1996，12（4）：108-112．［4］潘中永，曹卫东，李红，等．叶轮轴面控制参数的优化［J］．流体机械，2002，30（9）：25-27．PAN Zhongyong，CAO 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中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟
ｃ ｎ ｒｆ ｇ ｌｐ ｍ ｐ ｗｉｈ ｍ ｅ ｉ ｍ － ｉ ｈ ｓ ｅ ｉ ｃ ｓ ｅ ｄ ｅ ｔ ｉｕ ａ ｕ ｔ ｄｕ ｈ ｇ ｐ ｃｆ ｐ ｅ ｉ
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基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计
!""#$%%%&%%’( )#$$&***+,#清华大学学报-自然科学版./012345678329-":2;0<:5.=*%%>年第(>卷第’期*%%>=?@A B(>=#@B’*+,+’C%%&C%+基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计肖若富=王正伟-清华大学热能工程系=北京$%%%D(.收稿日期E*%%’&%(&%C作者简介E肖若富-$F C>&.=男-汉.=浙江=博士后G通讯联系人E王正伟=副教授=H&I72A E J K J L I72A B M1234567B<N6B:3摘要E为了缩短水力机械的水力设计周期和提高设计效率!提出了一种水力机械全三维的优化设计体系!实现了叶片参数化设计"网格划分"#$%计算和后处理的过程全自动集成&采用了遗传算法’()*全局探索"响应面’+,-*近似建模和二次序列规划方法’,./*局部寻优的二阶组合优化策略!达到了高效优化设计水力机械叶轮的目的&利用该优化设计平台!以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数!以影响叶片形状的多个几何参数为设计变量!对离心泵叶轮进行了优化设计&优化设计后叶轮水力效率由原来的01203提高到14253&关键词E水力机械6水力设计6离心泵6优化中图分类号E0?$+>B$文献标识码E O 文章编号E$%%%&%%’(-*%%>.%’&%C%%&%(P Q R S T U V W X Y Z[W\[]Z Y^Q_[S U\U‘Y S U_R]Y a Q^ _RY b_\]U R Q^_[S U\U‘Y S U_Ra S T Y S Q X cd e f g h i j k i=lf m n o p q r s t q u-v Q[Y T S\Q R S_V w x Q T\Y Z y R X U R Q Q T U R X=w a U R X x W Y z R U{Q T a U S c=|Q U}U R X~!!!"#=P x U R Y.$]a S T Y b S E05<N<1243@%5&N’76A2:I7:523<’&J71I7N<I@’< <%%2:2<3M A&6123475&(’2N@)M2I2K7M2@3N<1243I<M5@N%@’+&* 5&N’76A2:’633<’1B05<I<M5@N23M<4’7M<1M5<I<154<3<’7M2@3= 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)6I)1@)M2I2K7M2@3常见的水力机械叶片设计方法有正命题方法和逆命题方法G正命题方法一般是对一给定叶片形状根据流场分析结果进行反复修正=以获得具有较好流动特性的叶片=而这个过程非常耗时=使得水力机械的水力设计周期较长=不利于新产品的开发G逆命题方法则是由给定叶片表面的压力或速度分布直接确定叶片形状=但该方法所需要的压力或速度分布地确定往往十分困难=该方法还较少地应用于实际工程中=仅限于理论上的研究G还有一类设计方法=称之为最优化方法=是通过最优化一个以叶片形状参数为变量的目标函数来实现叶片设计G近年来随着计算流体动力学-)+*.技术和优化技术的发展=已有较多成功利用优化技术进行各种叶轮机械优化设计的例子G文2$=*3中利用组合的优化策略实现了叶轮机械的叶栅基迭规律的优化1文2+=(3中利用了遗传算法实现了混流式水轮机叶轮的优化设计=文中对人工优化得到的转轮和利用优化技术得到的叶轮水力性能进行了比较=发现利用优化技术得到的叶轮将具有更好的水力性能G本文中将正命题方法的设计步骤=包括叶轮参数化设计4网格划分4)+*计算及其后处理=进行过程集成=利用组合优化策略=实现水力机械叶轮的自动优化设计G这种方法既可以利用传统正命题方法的优点=又节省了水力机械水力设计中大部分的人工反复修正的时间=把设计人员从繁重的重复的试探性工作中解脱出来G~叶轮参数化表示水力机械叶轮的参数化表示是优化设计的基础G在水力机械叶轮的基本尺寸确定后=水力机械叶轮的设计要确定的参数主要是子午型线及叶片形状G离心泵叶轮子午型线如图$所示=文中以5<K2<’曲线对离心泵叶轮子午型线进行表示=后盖板型线以’个控制点5<K2<’样条曲线表示=前盖板采用(个控制点5<K2<’样条曲线表示G只要通过改变控制点!"#!$#!%和!&就可以实现叶轮子午型线形状的变化’为了减少优化设计参数变量()个控制点的移动方向限制为*方向的移动’文中以$个流面+包括前盖板流面#中间流面及后盖板流面,作为基础流面进行计算’计算各流面上叶片的进口角和出口角(根据给定叶片安放角的变化规律和叶片厚度变化规律(对其进行积分得到各流面上的型线(生成叶片的三维形状’图-离心泵子午型线设计变量示意图.三维/01求解当优化样本确定后(需要对样本进行计算(得到样本的水力性能(即对离心泵内流进行234计算(这是整个优化过程中最为耗时的过程’不同的234求解器(湍流模型(网格尺度均影响计算的速度及准确度’在该环节中并不需要得到样本的非常准确的内流特性(而只是对样本进行比较’因此可以适当的降低求解精度(只要对所有的样本采用相似的网格以及同一湍流模型(得到的性能比较结果是可靠的’由于本文中计算工况为设计工况点(考虑到减少优化计算的时间(文中采用567方程湍流模型(对离心泵叶轮进行单流道的234定常计算’这样可以节省大量的234求解时间(提高优化的效率’8组合优化策略对于水力机械内部流场这种高度非线性的物理现象(文中采用遗传算法+9:,;<=全局搜索#响应面+>?@,;A=近似建模和二次序列规划方法+?B C,局部寻优的二阶组合优化策略来进行其叶轮的优化设计’首先(采用遗传算法对整个设计空间进行全局的探索D然后采用"阶响应面回归分析法对遗传算法得到的结果数据进行目标函数的近似建模D最后通过逐次二次序列规划方法在响应面近似模型上进行反复迭代局部寻优(直到逼近最优解’优化设计流程如图"所示’图.优化设计过程流程图E算例分析以离心泵叶轮水力设计为算例进行叶轮的优化设计’该离心泵叶轮进口边外径和内径分别为""F G G和<F G G(出口直径H"为)F F G G(出口宽度I"为$F G G(叶片数%个(转速J"F F K L G M N O J(设计流量F P"&G$Q R(单级设计扬程$F G’优化设计样本234计算时采用非结构化网格(在叶片表面采用棱柱状网格(流场其他部位采用四面体网格(单流道网格节点数为$万’JF%肖若富(等S基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计本文以初始设计的叶片作为优化设计的初始点!子午型线上以"#$"%$"&$"’在(方向上的变化值)(作为控制叶轮子午型线的设计变量!叶片的形状以三条流线上的叶片进出口角及进出口上的包角位置作为控制叶片形状的设计变量*优化设计中流量$扬程要求不变!设计变量设置为三个流面上的进口角+$叶片进口点位置,以及叶片进口位置线控制点"-.*设计变量共有--个*目标函数为叶轮水力效率/0*优化问题可以表示为123/04)(#!)(%!)(&!)(’!)(-.!)+-!)+#!)+%!),-!),#!),%5其中67#.8)(#8#.!7#.8)(%8#.!7#.8)(&8#.!798)(’89!7-.8)(#8-.!79:8)+-89:!79:8)+#89:!79:8)+%89:!7-.:8),-8-.:!7-.:8),#8-.:!7-.:8),%8-.:;为了减少计算量提高优化效率!分两步进行优化设计*第一步!在不改变叶片进口角和包角基础上!对子午型线进行优化设计<第二步!在优化得到子午型线的基础上!以叶片的进口位置控制点"-.$各流面上的进口角+以及叶片进口点位置,为设计变量!进行叶片形状的优化设计*图%及图=分别为优化前后离心泵叶片子午型线和叶片的三维形状比较图*为了详细分析优化前后!离心泵转轮内部的流态及水力损失!文中分别对初始设计的叶轮和优化设计后的叶轮进行单独的单流道>?@计算!其中采用了结构化六面体网格和A B C 湍流模型!其单流道网格节点数为-9万*图D 优化设计前后离心泵子午型线比较图E 优化前后离心泵叶片三维形状比较为了分析离心泵叶轮水力性能!定义压力系数F G 为F G H 4"7"I J K L M N 5O4P Q R5!4-5其中6"I J K L M N为叶轮进口平均压力!R 为叶轮扬程*图9为叶片前盖板流面上从叶片进口到出口的压力系数F G 分布图!图中S T 为从叶片进口到出口!量纲为-的长度*从图中可以看出6初始设计时!由于叶轮设计不当!叶片进口处存在负冲角!造成叶片压力面上存在一低压区<而优化后!叶片压力面上的低压区明显消失!这有利于该叶轮水力效率的提高和空化性能的改善*图U 前盖板流面上叶片表面压力系数V W 分布图X 为优化设计前后叶片背面的压力分布*从图中可以看出!优化设计后叶片背面的压力分布更加均匀<优化设计后叶片背面的最低压力比优化设计前有所提高!这有利于叶轮空化性能的提高<同时初始设计时存在的叶片进口负冲角而造成的叶片背面的高压区在优化设计后也消失了*图&为优化设计前后叶片背面附近流线分布图*优化设计后的叶片!由于受叶片背面弯曲的影响!靠近叶片背面的径向二次流以及在后盖板处与叶片背面附近的周向二次流!比叶片初始设计时更为明显*#.&清华大学学报4自然科学版5#..X !=X 495图!优化设计前后叶片背面压力系数"#分布图$优化设计前后叶片背面附近流线图综上所述%优化设计后叶片背面附近的二次流水力损失虽然增加%但叶片进口冲击损失明显下降%优化设计后叶轮水力效率由原来的&’(&)提高到’*(+)%而且叶片表面最低压力有所提高,这说明该优化设计是比较成功的,-结论本文利用过程集成和优化技术%提出了一种基于多种优化方法的组合优化策略的水力机械优化设计体系,该优化设计方法成功地实现了对叶片参数化设计.网格划分./01计算及后处理进行的过程集成%并利用多种优化技术实现了水力机械叶轮的全自动优化%并成功应用于离心泵叶轮的优化设计,分析表明%与传统的正命题方法相比%该优化设计方法节省了大量人工反复修正的时间%减少水力机械的水力设计周期%提高了设计效率2同时该优化设计体系还具有很好的可靠性及全局优化探索能力,参考文献3456575895:;<=>赖宇阳%袁新(基于遗传算法和逐次序列二次规划的叶栅基迭优化<?>(工程热物理学报%*@@A%B C DE*E+(F G H I J K L M N%I O G P Q R M(S T L U V W X L Y Z R M N[\X R]R^L X R_M‘L a V U_Mb G L M UW c deV X f_U a<?>(g h i j k l m h no k p q k r r j q k ps t r j u h v t w x q y x%*@@*%B C DE*E+(3R M/f R M V a V;<*>0J N T a L M N d%eL U a V M z([\X R]R^L X R_M]V X f_U{_|}R M U X J|‘R M V|_X_|a<?>(g h i j k l m h n~q k!o k p q k r r j q k p l k!"k!i x#j q l m$r j h!w k l u q y x%=’’’%%&D=’=*@’(<A>(_]L aF%d V U|V X X R/%/f R L\\L((G J X_]L X V UU V a R N M_{L0|L M Y R aX J|‘R M V|J M M V|J a R M NN T_‘L T_\X R]R^L X R_ML T N_|R X f]a<G>(d|_Y V V U R M N a_{X f V*=a X H G z)W K]\_a R J]_Mz K U|L J T R YeL Y f R M V|K L M U W K a X V]a</>(F L J a L M M V%W}R X^V|T L M U D*d0F+W(H+F ez%*@@*(A=E A*E(<+>W Y f R T T R M N)%(f J]W%)R V U V T P%V X L T(1V a R N M_\X R]R^L X R_M_{f K U|L J T R Y]L Y f R M V|K‘T L U V‘K]J T X RT V,V T/01-X V Y f M R.J V<G>(d|_Y V V U R M N a_{X f V*=a X H G z)W K]\_a R J]_Mz K U|L J T R YeL Y f R M V|K L M U W K a X V]a</>(F L J a L M M V%W}R X^V|T L M U D*d0F+W(H+F ez%*@@*(A*E A A=(<E>[‘L K L a f R W%(L Z L M L a f R W(b V M V X R Y_\X R]R^L X R_M a_{X L|N V X\|V a a J|V U R a X|R‘J X R_M a{_|R M,V|a V U V a R N M]V X f_U a<?>($"$$g h i j k l m%=’’’%/C D&&=&&’(<’>b L M N J T R)([\X R]J]U V a R N M_{|_X_|{_|T_},R‘|L X R_MJ a R M N L V|_V T L a X R Y L M L T K a R a L M U|V a\_M a V a J|{L Y V]V X f_U a<?>(g h i j k l m h n0h i k!l k!1q2j l#q h k%*@@*%B-%DA*3A A+(3上接第’’’页;参考文献3456575895:;<=>4K T R V*S%W X|V V X V|5F(0T J R U(|L M a R V M X a R MW K a X V]a<e>( *M N T V}__U/T R{{a%P?Dd|V M X R Y V z L T T%=’’A(<*>李辉%陈乃祥%樊红刚%等(具有明满交替流动的三峡右岸地下电站的动态仿真<?>(清华大学学报3自然科学版;% =’’’%/63==;D*’A=(F H z J R%/z*P P L R7R L M N%0G P z_M N N L M N%V X L T((|L M a R V M Xa R]J T L X R_M}R X f]R7V U{|V V-a J|{L Y V-\|V a a J|V{T_}{_||R N f X‘L M ZJ M U V|N|_J M Uf K U|_\_}V|a X L X R_M_{X f V(f|V Vb_|N V a <?>(gs x q k p t i l8k q930y q:s r y t;%=’’’%/63==;D*’A=( 3R M/f R M V a V;<A>李庆扬%关治%白峰杉(数值计算原理<e>(北京D清华大学出版社%*@@@(F H c R M N K L M N%b OG P;f R%S G H0V M N a f L M(d|R M Y R\T V_{P J]V|R Y L T/_]\J X L X R_M<e>(S V R<R M N D(a R M N f J LO M R,V|a R X K d|V a a%*@@@(3R M/f R M V a V;<+>都志辉(高性能计算并行编程技术==ed H并行程序设计<e>(北京D清华大学出版社%*@@=(1O;f R f J R(d L|L T T V T d|_N|L]_{z R N f d V|{_|]L M Y V /_]\J X L X R_M=d|_N|L]1V a R N M}R X f ed H<e>(S V R<R M N D(a R M N f J L O M R,V|a R X Kd|V a a%*@@=(3R M/f R M V a V;<E>樊红刚%陈乃祥(半开式串联电站系统过渡过程数值模拟<?>(水力发电学报%*@@*%3W=;D=3@=3E(0G P z_M N N L M N%/z*P P L R7R L M N((|L M a R V M Xa R]J T L X R_M_{ X f V\L|X_\V M R M NX L M U V]f K U|_V T V Y X|R Ya X L X R_M a K a X V]<?>(g h i j k l m h n>w!j h r m r y#j q yo k p q k r r j q k p%*@@*%3W=;D=3@=3E(3R M/f R M V a V;<’>樊红刚(复杂水力机械装置系统瞬变流计算研究<1>(北京D 清华大学%*@@A(0G P z_M N N L M N((|L M a R V M X0T_}/_]\J X L X R_M_{/_]\T V7 W K a X V]_{z K U|L J T R Y eL Y f R M V|K<1>(S V R<R M N D(a R M N f J L O M R,V|a R X K%*@@A(3R M/f R M V a V;A@3肖若富%等D基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计。
叶轮轴面控制参数的优化
维普资讯
Ｖｏ ． ０． １ ３ Ｎｏ． ２ ２ ９． ００ ＦＬＵＩ ＭＡＣＨＩ Ｄ ＮＥＲＹ
２ ５
文 章 编 号 ： １０ －－ ２ （０ ２ Ｏ ＿ ０２ 一 ０ ０５ －３９ ２ ０ ）９ ＿ ｏ ５ ＿ ３ ０ ＿
叶 轮 轴 面 控 制 参 数 的 优 化
２ 模 型 的 建 立 与 分 析
图 １ 叶 轮轴 面投 影
点 蛎 ：
圆心 在 Ｃ点 的 圆 是 内 切 圆 ， 径 为 ｒ 圆 心 半 。 Ｃ到 Ａ点 距 离 为 Ｌ 由此 可 得 到 相 应 的 尺 寸 以 及 。 其 它 各 点 的坐 标 ：
凡
ｌ
ｔ ｌｒ ｔ ａｉ ｏ １ ａｎｏ ２ ｔ
Ｐ ｎ Ｚ ｏ ｇ ｏ ｇ Ｃ ｏ Ｗｅ ｄ ｎ Ｌ ｎ Ｃ ｅ ｈｌ ｎ ａ ｈ ｎ ｙ ｎ ａ ｉｏ ｇ ｉＨｏ ｇ ｈ ｎ Ｓ ｉａ ｇ ｉ Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｖ ｒａｉｎ ｏ ｈ ｒ ｓ ｒ ａ ｉ ｐ ｔｆ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｅ ｏ ｔ ｚｎ ｉ ｔ ａ ｃ ｌｔ ｏ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｆｒ ｌａ ｓｒ ｃ． ． ｈ ａ ｉ ｔ ｆｔ ｅ ｃ ｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｕ ｏ ｗ ｒ ｏ ｂ ｐ ｉ ｉ ｇ ａｍ ｏ ｃ ｌ ｕａ ｅ ｔ ｓ ａ ａ ｔｒ ， ｎ ｏ ｍｕ ｅ ｏ ｈ ｍｉ ｈ ｈ ｇ ｖ ｒ ｉ ｏ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｒ ｕ ｓ ｑ ｅ ｔ ｂａｎ ｄ ｏ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ａ ｔｒ ａ ｅ ｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｌ ｏ ｔ ｅ ，ｗ ｉｈ ｐ ｏ ｏ ｅ ｔｅ ｒ ｔ ａ ａ ｉ ｆｒ ｔｅ ｄ ｓｇ ． ｎ ｇ ｈ ｓ ｙ ｉ ｈ ｃ ｒ ｐ ｓ ｏ ｅｉｌ ｂ ｓｓ ｏ ｅ ｉ ｎ ｈ ｃ ｈ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｙ ｒｓ ｉ ｅｌ ｒ ｐ ｒ ｍｅｅ ； ｐ ｍｉｅ ｍｐ ｌ ； ａ ａ ｔｒ ｏ ｔ ｚ ｅ ｉ
基于离心泵参数优化设计及分析
基于离心泵参数优化设计及分析离心泵是一种重要的流体机械设备，广泛应用于工业领域。
离心泵参数的优化设计和分析是提高离心泵性能和效率的重要途径。
本文将从离心泵的参数优化设计和分析两个方面来详细阐述。
一、离心泵参数优化设计离心泵参数优化设计是指在满足一定流量和扬程要求的基础上，通过改变离心泵的几何尺寸、叶轮参数和叶轮几何形状等来达到提高泵效的目的。
具体的优化设计步骤如下：1、确定设计要求和基本参数首先需要确定离心泵的设计流量、扬程和转速等基本参数，并考虑离心泵的使用环境、工作介质等要素，确定离心泵的设计要求。
2、分析流场和叶轮叶片的工作状态通过数值模拟或实验记录离心泵在不同转速下的流场变化，分析叶轮叶片的工作状态。
根据分析结果，确定离心泵的基本结构及叶轮形状等参数。
3、确定叶轮的几何尺寸和要素根据叶轮的工作状态和流场分析结果，确定叶轮的几何尺寸和要素，包括叶片数目、叶片倾斜角度、面积、进口和出口直径等。
4、进行叶轮优化设计根据叶轮的几何尺寸和要素，进行叶轮的优化设计，改进离心泵的水力性能和效率。
5、进行制造、组装和试验完成离心泵的制造、组装和试验，并进行性能测试，评估离心泵的实际效果。
二、离心泵参数分析离心泵参数分析是通过对离心泵的流道参数、叶轮参数、出口压力等参数进行分析，揭示离心泵性能和效率的原理和规律。
具体的参数分析内容如下：1、分析流道参数对流道的进口形状、出口形状、弯管半径等参数进行分析，以确定流道参数对离心泵性能的影响。
2、分析叶轮参数对叶轮叶片倾斜角度、叶轮面积、叶轮转速等参数进行分析，以确定叶轮参数对离心泵性能的影响。
3、分析出口压力对离心泵出口压力进行分析，以确定出口压力对离心泵性能和效率的影响。
4、分析效率曲线通过计算得出离心泵的效率曲线，以研究离心泵在不同扬程下的分析效率变化规律。
综上所述，离心泵参数优化设计和分析都是提高离心泵性能和效率的关键。
合理优化离心泵的参数，提高其性能和效率，有利于促进工业领域的发展。
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。
离心泵叶轮轴面图的绘制
第３ ２卷 第 ２期 ２ １ 年 ４月 ０１
化 工装备 技 术
３ ９
离心泵叶轮轴面 图的绘 制
胡 家顺 李 翔
（ 汉 工程 大 学机 电＿ 程 学 院 ） 武 Ｔ －
王敏 辉
余 猛
（ 中船 重 工 集 团 七 一 二研 究 所）
摘 要 提 出 了一种 用 简单 的 几 何 分析 与 少量 的数 值 计 算 相 结合 进 行 叶 轮 轴 面投 影 图的绘
ａｄａｊｓ ｒｐａｅｌ， ｏ ｉ ｐ ａ ｄｙｂ ｐｉｉ ｔｎｄｓ ｎｍｅ ｏ ，ｎｏｄ ｒｏｏｔｉ ｔｅｉｅｌ ｘ ｌ ｍｊ ｔｎｏ ｎ ｄｕｔｅ ｅｔｄｙ ｍ ｄｆ ｒ ｅｔ ｌ ｙｏｔ ｚ ｉ ｅｉ ｔ ｄ ｉ ｒｅ ａｎ ｈ ａ ａｉ ｅ ｉ ｆ ｙｅ ｅ ｍ ａｏ ｇ ｈ ｔ ｂ ｄ ａ ｐ ｃｏ
后 盖板 型线 中出 口直 线 段 终 点 的 坐标 值
厶＋
值 计算 相结 合 进 行 叶轮 轴 面投 影 图 的绘 制 的方 法 ． 并 可用优 化设计 完成 对 流道 型线进 行反 复 的检验 一 调 整 、修 改 ，以取得 较为理 想 的叶轮轴 面投 影 图。 １ 叶轮轴面 投影 图前 后盖板 型线 的绘制
ｂ ｎ ｄａ ｓ ｉ ｅ ｉ ｌ ｅ ｍｅｒｃａ ａ ｙ ｉ ａ ｄａ ｓ ｌ ａ ｕ ｔ ｆ ｕ ｒ ａ ａｃ ｌｔ ｎ Ｔ ｅｃ ｎ ｏ ｒ ｆ ｏ ａ ｓ ｇ ｏ ｌ ｈ ｃ ｍｐ ｅｇ ｏ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ｍａｌ ｍｏ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｌｕ ａ ｉ ． ｈ ｏ ｔ ｕ ｗ ｐ ｓ ａ ｅｃ ｕ ｄ ｃ ｅ ｋ ｉ ｏｎ ｉ ｃ ｏ ｏｆ ｌ
离心叶轮的优化设计综述
离心王进/ 西北工业大学摘要：本文综述了离心叶轮三维优化设计的研究进展，着重介绍了离心叶轮三维参数化形状优化设计法，离心叶轮的响应面法优化设计法，基于速度系数法的离心叶轮优化设计法，利用三维紊流数值模拟进行离心叶轮优化设计，离心叶轮三维反问题气动优化设计法，采用遗传算法的离心叶轮多目标自动优化设计，混合遗传算法的离心叶轮优化设计等。
阐述了国内外对离心叶轮优化的研究进展，并对离心叶轮三维优化设计的发展进行了展望。
关键词：离心叶轮三维优化数值模拟参数化压气机前言离心式压气机由于能在较小的空气流量下获得较高的单级增压比和较宽的稳定工作裕度而得到广泛的应用，尤其是在中小型航空发动机中，离心式压气机更是不可缺少的关键部件，叶轮是离心式压气机中的核心部件，一般由叶片和轮盘组成，作用是把机械能转换为气体动能，随着离心压气机向小流量高速化高压比等方向发展，对叶轮的要求也越来越高[1]，在运行过程中一旦叶轮出现问题，轻则停机，造成经济损失，重则引起机器报废甚至人员伤亡。
因此对离心叶轮进行有限元分析和优化设计越来越受到人们的重视，目前在国内外逐渐对叶轮优化设计引起重视的情况下，对国内外离心式叶轮优化设计技术进行综述显得尤为重要。
早期国内外对离心叶轮的优化主要是针对叶轮外径，叶片安放角，叶片包角，叶片数等参数化对整机性能的影响分析[2~9]，通常称之为损失极值法，近年来随着流动技术的发展对于叶轮的优化的研究主要是分析叶型线的改变对整机性能的影响，但由于叶轮的参数设计难以实现，所以此方法也有局限性，较多的是利用现代流动计算及流场测试技术来研究叶轮内部流动，针对流动参数的分布，分析设计是否合理，并进行改型设计[10~14]，这种优化方法也称为从正问题出发的反问题，虽然这种优化获得了较好的设计结果，不过这种方法具有较大的随性和盲目性，没有严密的优化理论难以找到最优的设计，随着计算机技术及优化理论的发展，离心叶轮优化设计的方法主要有基于梯度的优化设计和基于演化算法的全局优化方法，基于演化算分的优化算法主要是遗传算法。
某小型高速离心叶轮的优化设计
11 2 叶轮改形研究 改形最 初 思 路 来 自 于 对 原 形 叶 轮 的 内 流 分
析 ,通过观察其内流特点 ,提出影响该叶轮性能的
图 3 90 %叶高截面相对马赫数分布图 Fig. 3 Mach number co ntours at 90 % span height
摘 要 : 针对某小型高速离心压气机叶轮的叶片厚度和子午流道线形进行改形 ,并利用商用软件 Fine/ Turbo 对改形后的叶轮进行全三维数值计算. 计算结果表明 :经过优化的叶轮在设计点绝热效率提高 21 4 % , 并且具有较高的稳定裕度. 另外 ,将径流式叶轮改叶轮为斜流式可以减少叶轮出口区域的气流分离 ,但以降 低其扩压能力为代价 . 关 键 词 : 航空发动机 ; 离心压气机 ; 改形设计 ; 数值模拟 中图分类号 : V231 文献标识码 : A
第 24 卷 第 9 期 2009 年 9 月
航空动力学报
Journal of Aerospace Power
Vol. 24 No . 9 Sep . 2009
文章编号 :100028055 (2009) 0922122206
某小型高速离心叶轮的优化设计
周荐辉 , 樊未军 , 田晓沛 , 方祥军
(北京航空航天大学 能源与动力工程学院 航空发动机气动热力重点实验室 , 北京 100191)
Abstract : A small high speed cent rif ugal impellor had been modified by rearranging t he blade t hickness and meridian line t ype ; t hen t he imp roved impellor was simulated wit h Fine/ Turbo sof t ware. The result show s t hat : t he adiabatic efficiency of t he imp roved impellor in2 creases by 21 4 % and it al so has wilder surge margin. Besides , changing radial flow impello r to inclined flow impellor will co mparatively decrease t he separatio n of blades wit h sacrifice of t he p ressure ratio .
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。