一种离心泵叶轮的优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110617238A(43)申请公布日2019.12.27(21)申请号201910914770.X(22)申请日2019.09.26(71)申请人浙江理工大学地址310018浙江省杭州市下沙高教园区白杨街道2号大街928号(72)发明人李晓俊刘遥遥郇钰莹蔡云辉陈波(74)专利代理机构杭州九洲专利事务所有限公司33101代理人王之怀王洪新(51)Int.Cl.F04D29/22(2006.01)G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图4页(54)发明名称一种离心泵叶轮的优化设计方法(57)摘要本发明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。CN110617238ACN110617238A权利要求书1/2页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；2CN110617238A权利要求书2/2页上式中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为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为Q’，且Q’＝Q1＝Q2＝1，此时得到叶轮的最优设计参数。2.根据权利要求1所述的离心泵叶轮的优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，Q方法提取涡结构的步骤为：根据公式(1.5)、(1.6)、(1.7)确定Q值：变形率张量--涡量--Q值--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,再由软件定量计算出涡核强度，并记录数据。3.根据权利要求1所述的离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：所述步骤5)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。4.根据权利要求1所述的离心泵叶轮的优化设计方法，其特征在于：所述步骤3)中，边界条件包括