眾所周知,軸流泵葉輪是泵裝置最核心也是最重要的過流部件,其設計的好壞直接決定了裝置乃至整個泵站的綜合效果。隨著日益復雜的運行需求,對水泵設計提出了更高的設計要求。目前,國內還沒有一種能夠將水力設計和結構設計融合在一起的協(xié)同設計優(yōu)化方法,也就無法設計出滿足復雜運行條件的優(yōu)化葉輪。在當前不斷強調降低能耗的大背景下,耗材和運行成本是考慮最多的因素。設計過程中考慮降低設計制造成本以及運行成本時,葉輪質量和運行效率這2個指標是最直觀的表象指標。除了這2個指標外,設計人員還需要考慮軸流泵性能曲線形狀、空化性能和結構強度等指標。一副設計成功的軸流泵葉輪,其結果應該是能夠滿足這四個指標的最終協(xié)調設計方案。本文為了提高軸流泵葉輪的綜合性能,系統(tǒng)的對軸流泵葉輪進行多約束、多目標、多工況和多學科(四多)的優(yōu)化設計研究,開發(fā)出能夠滿足工程實際應用的軸流泵綜合性能最優(yōu)的葉輪,推動國內水泵優(yōu)化設計理論及方法的發(fā)展。在節(jié)約能源、降低軸流泵設計和制造成本方面具有重要的學術價值。同時在大型泵站更新改造、水力模型設計比選方面具有實際的工程指導意義和重要的理論價值。本文采用理論分析、數值模擬、數值優(yōu)化和模型試驗相結合的研究手段,對軸流泵優(yōu)化設計理論方法及應用進行了系統(tǒng)的研究,主要形成以下研究成果:(1)針對葉柵稠密度、翼型安放角、翼型厚度和翼型拱度四個設計參數,通過DOE試驗設計的方法對軸流泵設計工況下水力性能進行靈敏度分析�？偟膩碚f,翼型安放角對軸流泵的水力性能影響最大,其次是葉柵稠密度,再其次是翼型拱度,對結果影響最小的是翼型厚度。在軸流泵優(yōu)化設計時,可根據靈敏度分析結果合理進行設計參數的選擇與調整。(2)介紹了基于數值模擬的數值優(yōu)化技術,提出了 DOE分析的因子參數化建模方法,建立了軸流泵葉輪的自動優(yōu)化設計平臺。并在此基礎上,實現(xiàn)了設計工況下大尺寸設計參數的自動優(yōu)化設計。設計工況下,葉片數越多,汽蝕性能越差,效率越低,葉片數對汽蝕性能影響較為顯著。葉片數越多,揚程曲線斜率越大,在大流量區(qū)域揚程較低,在小流量區(qū)域揚程較高。葉片數越多,最高效率值越低,高效區(qū)范圍往小流量區(qū)域偏移;設計工況下,輪轂比越大,效率越高,但汽蝕性能越差,輪轂比對汽蝕性能的影響比較顯著。輪轂比越大,揚程性能曲線斜率越大,最大揚程越高,馬鞍區(qū)揚程范圍越大。輪轂比小,高效區(qū)范圍較寬,并往大流量側分布;改變翼型沖角,其他設計參數保持不變時,沖角增大,揚程升高,最高效率增大,高效區(qū)往大流量偏移。為了使翼型處于更高質量區(qū),建議輪緣側翼型沖角在0～3°之間,且比轉數大的取小值。改變輪轂側和中間斷面翼型沖角時,設計工況下,為了得到較高揚程和較高效率的軸流泵葉輪,可以適當增加中間斷面的翼型沖角,同時為了減小葉片扭曲改善非設計工況的水力性能,可以適當減小輪轂側的翼型沖角。比轉數保持一致時,沖角增大,揚程的斜率減小,最高效率值保持相當,高效區(qū)范圍往大流量偏移且高效區(qū)范圍變寬。泵站實際工程可根據最高運行揚程和最低運行揚程以及效率曲線的分布情況靈活選擇葉輪葉片數量;而輪轂比和沖角則可以根據泵站實際運行水位靈活選取。(3)根據導葉體的作用及設計要求,提出了關于導葉設計優(yōu)劣的3個性能評價指標。分析了導葉體葉柵稠密度和出口角2個主要設計參數對性能的影響,同時對導葉體進行了自動優(yōu)化設計研究,最后對導葉體掃掠性能進行了分析研究。設計工況下,葉柵稠密度越大,動能回收系數越大,導葉回收的速度環(huán)量越大,出水流道的水力損失越小。在實際工程應用中,為了兼顧設計工況點的水力性能及全工況性能曲線的合理性,導葉出口角取值不宜過小,也不宜過大,可取90°～95°。優(yōu)化后導葉的水力損失下降了 40 cm;導葉體動能回收系數從41.54%提高到85.74%,優(yōu)化后的導葉體可以回收更多的速度環(huán)量,導葉出口的速度分布均勻度有所提高,可以減小部分出水流道水力損失。設計工況揚程和效率均隨著掃掠角度增加先增大后減小,在導葉前掠16°左右,軸流泵的效率出現(xiàn)最大值。在大流量工況下軸流泵水力性能基本沒有變化;而在小流量工況下,前掠導葉軸流泵的水力性能明顯要優(yōu)于后掠導葉。(4)提出了多目標優(yōu)化設計目標函數歸一化的權重處理方法,針對泵站各工況運行時間或重要性采用超傳遞矩陣計算各目標的權重因子。與工程實際結合,將工程中提出的最大揚程、設計揚程、平均揚程和最小揚程概化成基于高效區(qū)三個流量工況點優(yōu)化、最大揚程和最小揚程校核的多工況問題。優(yōu)化后在設計流量偏小流量時揚程有所減小,偏大流量時揚程稍有提高。設計工況點效率有所提高,大流量工況點效率提高了 7.4%,小流量工況點效率提高了 2.6%。除設計流量外兩工況效率均有所提升,效率曲線整體抬高,高效運行范圍更寬,優(yōu)化效果明顯。通過試驗驗證,優(yōu)化后軸流泵效率較高,高效區(qū)范圍明顯變寬,汽蝕性能有著大幅度的提高。(5)通過優(yōu)化拉丁方分析方法對軸流泵葉輪80個樣本點進行多工況的流固耦合計算,然后對計算結果進行靈敏度分析,再對葉輪水力性能參數和結構性能參數進行近似模型建立,最后針對近似模型采用多目標優(yōu)化算法進行多學科優(yōu)化設計。小流量下的最大變形量受輪轂側最大翼型厚度影響最大,受其他設計變量影響較小。小流量下的最大應力與各設計變量間均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,且各設計變量的二階主效應非常明顯。葉片質量的大小與翼型安放角和翼型拱度基本無關,主要受葉柵稠密度和翼型厚度的影響。響應面近似模型的擬合效果要優(yōu)于其他近似模型。優(yōu)化后單張葉片質量從0.947kg降低到0.848kg,降幅達到10.47%,而設計工況效率從93.91%提高到94.49%,增幅達到0.61%,優(yōu)化效果明顯。此外,除了最大應力值誤差稍大之外,其他響應的近似模型結果與計算結果誤差均在0.5%以內,說明近似模型精度較高,分析結果可靠。
【學位單位】：揚州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TV136.2
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符合說明
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 水泵設計方法
        1.2.2 水泵優(yōu)化方法
        1.2.3 多學科優(yōu)化設計研究進展
    1.3 擬解決的問題
    1.4 研究內容
第二章 軸流泵數值模擬和優(yōu)化方法
    2.1 軸流泵數值模擬方法
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 紊流模型
        2.1.3 邊界條件
        2.1.4 網格模型
    2.2 軸流泵數值優(yōu)化技術
        2.2.1 參數化建模
        2.2.2 用戶界面的組成
        2.2.3 優(yōu)化方法
        2.2.4 自動優(yōu)化設計平臺
        2.2.5 軟件集成
    2.3 葉片數對軸流泵性能的影響
        2.3.1 葉輪葉片數對軸流泵水力性能的影響
        2.3.2 導葉葉片數對軸流泵水力性能的影響
    2.4 輪毅比對軸流泵性能的影響
    2.5 小結
第三章 軸流泵葉輪的試驗設計方法及分析
    3.1 DOE方法簡介
    3.2 DOE分析方法
        3.2.1 參數試驗
        3.2.2 全因子設計
        3.2.3 部分因子設計
        3.2.4 正交數組
        3.2.5 中心組合法
        3.2.6 拉丁超立方設計
        3.2.7 最優(yōu)拉丁超立方法
        3.2.8 自定義數據文件
    3.3 軸流泵葉片的DOE設計
        3.3.1 算法的選擇
        3.3.2 計算模型
        3.3.3 參數建模及DOE優(yōu)化流程
    3.4 設計參數靈敏度分析
        3.4.1 DOE設計結果
        3.4.2 葉柵稠密度
        3.4.3 翼型安放角
        3.4.4 翼型拱度
        3.4.5 翼型厚度
    3.5 小結
第四章 軸流泵葉輪自動優(yōu)化設計
    4.1 參數化建模
    4.2 優(yōu)化流程
    4.3 優(yōu)化模型
    4.4 優(yōu)化算法
        4.4.1 梯度優(yōu)化的優(yōu)缺點
        4.4.2 梯度優(yōu)化原理
        4.4.3 約束
    4.5 不同葉片數的軸流泵優(yōu)化設計
    4.6 不同輪轂比的軸流泵優(yōu)化設計
    4.7 不同沖角的軸流泵優(yōu)化設計
    4.8 小結
第五章 軸流泵導葉體優(yōu)化設計
    5.1 導葉主要設計參數對裝置水力特性的影響
        5.1.1 導葉的設計
        5.1.2 葉柵稠密度對導葉設計的效果評價
        5.1.3 出口角對導葉設計的效果評價
    5.2 導葉體的自動優(yōu)化設計
        5.2.1 貝塞爾曲線參數化建模
        5.2.2 微遺傳算法及PIAnO優(yōu)化流程
        5.2.3 優(yōu)化結果與討論
    5.3 掃掠導葉對軸流泵水力性能的影響
    5.4 小結
第六章 軸流泵多工況自動優(yōu)化設計
    6.1 工況分析
    6.2 多目標權重因子的處理
    6.3 軸流泵葉輪的參數化建模
    6.4 軸流泵段的多工況優(yōu)化設計
        6.4.1 多工況計算模型
        6.4.2 多工況優(yōu)化模型
        6.4.3 多工況優(yōu)化流程
    6.5 優(yōu)化結果與分析
    6.6 小結
第七章 軸流泵多學科優(yōu)化設計
    7.1 結構靜力學基礎
    7.2 耦合場分析的實現(xiàn)方法
    7.3 流固耦合計算分析
        7.3.1 參數模型
        7.3.2 網格及荷載
        7.3.3 實驗設計
        7.3.4 計算結果及分析
    7.4 計算結果靈敏度分析
    7.5 近似模型
        7.5.1 響應面(RSM)模型
        7.5.2 神經網絡(RBF/EBF)模型
        7.5.3 Chebyshev正交多項式模型
        7.5.4 克里格(Kriging)模型
        7.5.5 近似模型構造
    7.6 優(yōu)化設計
        7.6.1 優(yōu)化模型
        7.6.2 優(yōu)化算法
        7.6.3 優(yōu)化結果及分析
    7.7 小結
第八章 軸流泵模型試驗研究
    8.1 模型泵樣機與安裝
    8.2 模型試驗測試內容
    8.3 模型試驗系統(tǒng)及測試方法
        8.3.1 試驗系統(tǒng)
        8.3.2 測試方法
    8.4 模型試驗結果
        8.4.1 ZM55模型試驗結果
        8.4.2 ZM63模型試驗結果
    8.5 與國內外同類模型泵比較
    8.6 數值模擬與模型試驗對比
    8.7 多工況優(yōu)化前后泵段水力性能比較
    8.8 導葉掃掠前后軸流泵水力性能比較
    8.9 小結
第九章 總結與展望
    9.1 結論
        9.1.1 主要成果
        9.1.2 創(chuàng)新點
    9.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間取得的相關科研成果

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