基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计

作     者：王丹 wangdan

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘在伦;赵伟国

授予年度：2016年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：离心泵 叶轮 优化设计 遗传算法 数值模拟 

摘      要：目前,中低比转速离心泵广泛应用于煤油、石油、化工等多个领域,但普遍存在效率不高问题。然而,由于全球能源日益紧缺,因此提高离心泵效率,降低研究成本迫在眉睫。近年来,随着CFD技术的发展,对于叶片机械内流场三维粘性的数值分析,已经相对成熟,且取得了很大的成效。为扩大CFD技术的应用范围,再不能仅仅局限于对离心泵内部流场的研究和分析,而要与优化算法相结合来提高离心泵的效率、减小流动损失。本文结合CFD技术对离心泵进行了优化,以实现提高离心泵效率的目标。叶轮作为离心泵能量交换的最主要部分,对其直接采取水力优化不仅可节约资源而且同样可达到离心泵优化的要求。文章针对中低比转速离心泵的结构特点,以水力效率为目标,结合遗传算法对KQNW200/400-75叶轮展开研究。本文主要内容和研究成果如下:1.为了得到水力效率最优模型,本文针对中低比转速离心泵性能和叶轮的特点,采用损失极值的优化方法来建立以损失极值为目标的优化模型,通过泵各性能参数以及叶轮水力参数之间的相互制约来设定约束条件。运用MATLAB遗传算法工具箱对模型各出口几何参数进行全局寻优,得到最佳的参数组合。再对优化后的参数组合进行重新水力设计得到新模型叶轮,最后对优化前后的叶轮进行整机模拟(相同计算模型),并借助优化前已有实验性能参数来进行模拟结果的误差分析,得到优化后的离心泵模拟值较优化前扬程提高了3.85m,约提高了7.9%,效率提高了2.83个百分比,约提高了3.5%。对比优化前后叶轮在中间截面上的压力云图和速度流线图,可以看出流道内流动较优化前平缓过渡,漩涡明显改善。2.为了研究出口宽度对离心泵性能的影响,分别对优化后叶轮出口宽度b2在一定范围内取值为b2±1mm、b2+3mm,对叶轮重新建模,网格划分,整机模拟多个工况点性能曲线。针对新模型在0.8Q,1.0Q,1.2Q三个工况点进行叶轮和蜗壳内流场分析,得到出口宽度在一定范围内的变化对离心泵性能影响不大。用同样的数值流动模型对叶片数变化对离心泵性能的影响进行预测,得到离心泵叶轮内流体随着叶片数的增加其受到作用力和约束越大,而导致其扬程增大。叶片数太小,离心泵叶轮进口处将存在漩涡,且对应的静压较低,而叶片数过多则会导致损失增大,易发生汽蚀等现象,从而导致扬程、效率曲线曲率变化较大,运行不稳定等现象。