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基于改进PSO算法的立式长轴消防泵无过载优化设计研究

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基于改进PSO算法的立式长轴消防泵无过载优化设计研究

作者：赖良庆江苏大学

学位级别：硕士

近年来随着海上平台石油开发、大型码头等工程的兴起,立式长轴消防泵的需求量不断增加,这也对其性能提出更高的要求。受潮汐、海浪、台风等影响,立式长轴消防泵在高淹没深度无空化激励的条件下,电机功率随着流量的增大而极剧增加,存在... 详细信息

近年来随着海上平台石油开发、大型码头等工程的兴起,立式长轴消防泵的需求量不断增加,这也对其性能提出更高的要求。受潮汐、海浪、台风等影响,立式长轴消防泵在高淹没深度无空化激励的条件下,电机功率随着流量的增大而极剧增加,存在电机功率过载的危险;又因该类装备动力系统复杂,烧毁损失巨大,所以通常采用较大安全系数配套,不过因此也存在着能源浪费的问题。采用离心泵无过载理论进行设计,可以在水力设计阶段控制功率极值,减小配套功率,节约成本,提高设备的运行可靠性。因此,研制具有无过载性能且高效的立式长轴消防泵具有重要的科研价值和实际应用意义。目前,国内针对水泵无过载性能的研究主要集中于低比转速离心泵,关于立式长消防泵的相关研究较少,对其无过载特性的研究仍为空白。本文基于离心泵无过载理论,采用CFD数值模拟计算、粒子群算法(Particle Swarm Optimization algorithm,PSO)、数值模拟与试验相结合的方式,对立式长轴消防泵进行无过载优化设计,然后对优化前后模型的外特性、内流特性和压力脉动特性进行对比分析,并将优化模型的叶轮应用在多级立式长轴消防泵中。本文的研究内容和创新成果如下:(1)总结了立式长轴消防泵研究现状以及离心泵无过载优化设计的的国内外研究现状。总结了常用的泵优化设计方法及其对性能的影响程度,着重分析了PSO算法在泵性能优化中的应用现状,可知应用合理的PSO算法优化方法优化泵几何参数可提高泵的水力性能,满足设计要求。(2)介绍了PSO算法的原理及结构,根据立式长轴消防泵性能数值模拟周期长和优化目标精度较低的特点,采用动态调整的惯性权重和异步学习因子的算法参数的方法对标准PSO算法进行修正。应用5种经典数学函数对改进PSO算法、标准PSO算法和遗传算法进行测试,结果表明改进PSO算法可以提升收敛速度和精确度,更适合泵性能优化问题。(3)选取一台比转速为137的立式长轴消防泵作为研究对象,采用CFX17.0对该模型泵进行性能预测,并用外特性试验的方式验证了模拟结果的可靠性,试验值与数值计算值表现出了良好的一致性。在额定工况1.0Q下,轴功率误差2.00%,效率误差5.93%,扬程误差3.81%。在额定工况1.0Q时,流体在叶片出口处与后半段出现分离现象,对效率影响较大;流量增大到1.5Q时,流体在叶片出口分离现象更加严重,针对后续优化工作考虑改善叶片进出口安放角度以及包角等参数来改善流动情况。(4)结合离心泵无过载理论,分析立式长轴消防泵的无过载优化问题从而确定叶片厚度、叶片进口三流线的三个安放角度、叶片出口安放角度、叶片包角的6个优化参数以及优化范围,对最优拉丁超立方方法选取的28组样本建立KRIGING近似模型,通过改进PSO算法对立式长轴消防泵叶轮参数的KRIGING近似模型进行多参数优化,得到的优化方案在大流量工况1.5Q内实现了无过载特性,并且在额定工况1.0Q效率值提高1.63%,扬程提高0.39m。(5)对优化方案进行内流特性分析,通过分析优化前后外特性和内流场的变化获得参数对目标影响的规律,并对优化前后模型进行非定常计算,分析1.0Q和1.5Q工况在一个旋转周期内叶轮流道和叶轮与导叶之间过渡段的流场变化规律。然后对叶轮流道和叶轮与导叶之间过渡段中所设置监测点的压力脉动现象进行对比分析,探究优化方案在1.5Q内实现无过载特性的机理。(6)提出首级叶轮控制功率特性的设计理念,为立式长轴消防泵无过载设计提供了一个新设计思路。将原方案与优化方案的叶轮组合成为立式长轴多级泵,对比多个组合方案外特性和内流场的变化,两级最佳无过载组合方案为首级叶轮为优化方案无过载叶轮、次级叶轮为原方案高效叶轮,三级最佳无过载组合方案为首级叶轮为优化方案无过载叶轮、次级叶轮和末级叶轮均为原方案高效叶轮。

关键词：立式长轴消防泵无过载设计改进粒子群算法首级无过载叶轮非定常流动特性

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基于改进粒子群算法的水泵水轮机多目标优化

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第3期49卷 86-92页

作者：张金凤赖良庆陈圣波方玉建江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212023

为了提高带有长短叶片结构的水泵水轮机机组在运行中泵工况的运行效率,先对粒子群优化(PSO)算法进行线性变化的惯性权重及变化学习因子的改进,然后用改进PSO算法对水泵水轮机转轮结构进行优化.采取试验和数值模拟相结合的方式,以提高水... 详细信息

为了提高带有长短叶片结构的水泵水轮机机组在运行中泵工况的运行效率,先对粒子群优化(PSO)算法进行线性变化的惯性权重及变化学习因子的改进,然后用改进PSO算法对水泵水轮机转轮结构进行优化.采取试验和数值模拟相结合的方式,以提高水泵水轮机泵工况的效率与扬程为目标,用近似模型和改进PSO算法结合的方法对转轮9个结构参数进行全局寻优.研究发现:在导叶开度9.8°下各工况的效率与扬程均有一定改善,额定工况点效率值提高0.56%,扬程提高2.10%;17.5°开度的额定工况点效率提高0.55%,扬程则提高0.018%,并且高效区得到一定拓宽;24.8°开度除小流量外其余工况点效率值与扬程均有明显提高;优化方案水泵水轮机泵工况内部流动特性得到改善.

关键词：水泵水轮机长短叶片数值模拟改进粒子群优化算法近似模型

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海上平台立式长轴消防泵转子静力学特性分析

排灌机械工程学报 2021年第6期39卷 541-547页

作者：张金凤宋海勤张帆杨志军赖良庆江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 应急管理部上海消防研究所上海200032

为了研究立式长轴消防泵转子的静力学特性,以XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵为研究对象.首先根据设计参数通过Creo建立了立式长轴消防泵内部流场的三维模型以及转子的物理模型,采用CFX对该泵在0.20Qd,0.65Qd,1.00Qd,1.20Qd,1.40Q... 详细信息

为了研究立式长轴消防泵转子的静力学特性,以XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵为研究对象.首先根据设计参数通过Creo建立了立式长轴消防泵内部流场的三维模型以及转子的物理模型,采用CFX对该泵在0.20Qd,0.65Qd,1.00Qd,1.20Qd,1.40Qd和1.50Qd这6种工况下进行3级泵内流场的定常数值模拟;然后把物理模型导入ANSYS Workbench中,并根据实际运行过程设置约束条件,根据模块耦合功能,将流场的模拟结果导入固体结构实现单向流固耦合,对转子模型进行了带预应力的静力学特性分析.结果表明:叶轮内部受到的流体载荷随叶轮级数增加而增大,随流量增大而减小;转子总变形量的最大值位于第3级叶轮后盖板的边缘处,等效应力与等效应变的最大值位于第3级叶轮后盖板边缘与叶片出口边的交点上,都随流量增大而减小;在0.20Qd,0.65Qd,1.00Qd和1.50Qd这4种工况下转子的最大等效应力为118.23 MPa,小于其许用应力250 MPa,符合强度要求;该泵的工作转速1485 r/min小于其0.85倍的一阶临界转速,符合动力学设计要求.

关键词：立式长轴消防泵转子流固耦合预应力静力学特性

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带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析

排灌机械工程学报 2021年第10期39卷 981-986页

作者：张金凤宋海勤张帆蔡海坤赖良庆洪秋虹江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 昆明嘉和科技股份有限公司云南昆明650501

以带分流叶片的水泵水轮机为研究对象,基于CFD与FSI方法分析其泵工况下转子的振动特性,对3种开度即小开度9.8°、最优开度17.5°和大开度24.8°下的流场进行数值模拟,将额定工况下的流场结果导入转子结构实现单向流固耦合,对带预应力的... 详细信息

以带分流叶片的水泵水轮机为研究对象,基于CFD与FSI方法分析其泵工况下转子的振动特性,对3种开度即小开度9.8°、最优开度17.5°和大开度24.8°下的流场进行数值模拟,将额定工况下的流场结果导入转子结构实现单向流固耦合,对带预应力的转子模型进行形变与等效应力分析.此外,还计算了转轮的干湿模态,对比分析了不同条件下转轮的振动特性.结果表明:不同开度对应的预应力下转轮形变与等效应力分布规律相似,转轮形变主要发生在上冠低压侧.按节径数ND在转轮圆周方向划分振动扇区描述振型规律时发现,各扇区内转轮上冠、下环低压侧的振幅较大.湿模态下水介质对转轮振型影响不大,但会明显降低转轮的振幅.预应力对转轮固有频率影响较小,可忽略不计,但在湿模态下,转轮固有频率会显著下降,这表明分析结构振动特性时应充分考虑水介质作用.

关键词：水泵水轮机分流叶片预应力转子模态振动

基于DDES耦合FW-H方法的吊舱推进器水动力噪声特性

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排灌机械工程学报 2024年第7期 693-700页

作者：高波梅子逸张宁赖元庆倪丹江苏大学能源与动力工程学院

为研究吊舱推进器非定常流场和诱发的声场结构，采用DDES耦合FW-H方法，对其开展了高精度非定常数值计算.结果表明：由于吊柱诱发的强烈动静干涉作用，使螺旋桨至吊柱区域内的压力脉动幅值上升；吊舱推进器的涡量分布较为复杂，由于吊... 详细信息

为研究吊舱推进器非定常流场和诱发的声场结构，采用DDES耦合FW-H方法，对其开展了高精度非定常数值计算.结果表明：由于吊柱诱发的强烈动静干涉作用，使螺旋桨至吊柱区域内的压力脉动幅值上升；吊舱推进器的涡量分布较为复杂，由于吊舱体的扰流作用，除螺旋桨本身产生的主、副涡外，还出现干涉尾涡结构，且主涡区向上偏移.通过计算盘面上各个声接收点处的谐波频率标准差发现，声场在浆盘面上无明显声指向性.通过设置空间曲面内的声接收点阵列，获得了吊舱推进器的声场空间分布特性.发现轴频和叶频始终是其主要频率；在螺旋桨桨盘面附近的声压脉动无明显指向性，但在空间曲面上，轴频和叶频的分布特征明显，存在有明显形状的高低值区；在吊舱推进器后方，声压逐渐衰减，但叶频处能量衰减趋势小于轴频处.

关键词：吊舱推进器延迟分离涡模拟非定常流场水动力噪声

均匀来流下吊舱推进器伴流场及激振力特性研究

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 85-92页

作者：余翔赖元庆李国平高波张宁倪丹江苏大学能源与动力工程学院镇江212000 杭州杭发发电设备有限公司杭州311251 上海船舶设备研究所上海200031

为了探究均匀来流下吊舱推进器的伴流场分布情况和吊舱推进器的激振力特性,本文基于延迟分离涡模型(DDES)对不同进速系数下的吊舱推进器进行均匀来流下的非定常敞水数值模拟,获得了不同工况下的伴流场分布情况和螺旋桨推力、扭矩及吊舱... 详细信息

为了探究均匀来流下吊舱推进器的伴流场分布情况和吊舱推进器的激振力特性,本文基于延迟分离涡模型(DDES)对不同进速系数下的吊舱推进器进行均匀来流下的非定常敞水数值模拟,获得了不同工况下的伴流场分布情况和螺旋桨推力、扭矩及吊舱表面压力脉动特性。研究表明:吊舱诱导伴流场在桨盘面存在不均匀性,对比不同半径处伴流分数的谐调分量,发现一阶谐调分量幅值最高;螺旋桨上激振力分布与伴流场分布存在相关性,螺旋桨上的单个叶片受激振力影响较大,且表面力特征频率主要为叶频;吊柱表面左、右侧的压力脉动呈现非对称性,螺旋桨诱导涡对其表面压力脉动产生的影响不容忽视。

关键词：吊舱推进器均匀来流伴流场激振力

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爆破振动荷载作用下填埋场稳定性计算分析

岩土工程学报 2024年第5期46卷 1067-1076页

作者：陈典陈永贵叶为民叶代成赖庆钟同济大学土木工程学院地下建筑与工程系上海200092 岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092 厦门路桥百城建设投资有限公司福建厦门361001 中交一公局厦门工程有限公司福建厦门361001

针对爆破振动荷载作用下填埋场稳定系数分析,建立数学坐标系确定两种形状填埋场每个点的坐标位置,分别采用质心法和积分法计算爆破振动惯性力;考虑渗滤液对填埋体、衬垫界面物理力学参数的影响,建立填埋场沿垃圾坝背和坝底破坏时的三楔... 详细信息

针对爆破振动荷载作用下填埋场稳定系数分析,建立数学坐标系确定两种形状填埋场每个点的坐标位置,分别采用质心法和积分法计算爆破振动惯性力;考虑渗滤液对填埋体、衬垫界面物理力学参数的影响,建立填埋场沿垃圾坝背和坝底破坏时的三楔体分析模型,列楔体极限平衡方程;借助MATLAB求解爆破振动荷载下任意时刻填埋场沿底部复合衬垫界面滑移的安全系数,通过算例验证楔体极限平衡方程的正确性。结果表明:质心法计算的安全系数时程曲线开始发生变化的时间落后于积分法,且与积分法相比,波动幅度更大,最小安全系数更小,实际安全系数应在两种方法之间。当爆源位于垃圾坝底内边缘下方区域或填埋体底部中点左右区域的下方时,安全系数最小,发生失稳的概率最大。爆破振动频率对填埋场安全系数的影响,积分法得出随着振动频率变大,安全系数总体变化趋势增大,且增加幅度逐渐减小。渗滤液水位显著影响填埋场的稳定性。研究结果对评估填埋场在隧道下穿时的稳定性、优化隧道爆破开挖设计、确保施工安全具有重要意义。

关键词：卫生填埋场稳定性分析爆破振动极限平衡法

基于生态保护红线的生态安全格局构建与国土空间修复分区

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农业工程学报 2024年第7期40卷 288-297页

作者：罗莎莎赖庆标王旭东王修成冯琰玮福建省农业科学院农业经济与科技信息研究所福州350003 福建省地质测绘院福州350005 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室北京100101

国土空间生态修复分区有助于针对生态服务、农业生产、居民生活等功能分类施策,具有提高生境质量、保障区域生态安全、促进区域可持续发展的重要作用。该研究以福建省三明市为研究区,采用生态保护红线划定方法全域识别生态源地,构建生... 详细信息

国土空间生态修复分区有助于针对生态服务、农业生产、居民生活等功能分类施策,具有提高生境质量、保障区域生态安全、促进区域可持续发展的重要作用。该研究以福建省三明市为研究区,采用生态保护红线划定方法全域识别生态源地,构建生态源地扩展阻力评价体系,采用最小累积阻力模型判别生态廊道和生态节点,提取生态断裂点,从而构建三明市生态安全格局。根据生态安全等级划分和“三生空间”范围界定,进行生态修复分区,并提出针对性生态修复和保护建议。研究结果:1)三明市生态源地共有34处,面积2185.44 km^(2),约占三明市国土面积9.5%,围绕中部盆地分布于周边丘陵山地,北部为密集区。2)判别重要生态廊道和一般生态廊道分别为12和70条,提取重要生态节点和一般生态节点分别为30和47个,提取生态断裂点66个。三明市生态安全格局完整,生态安全水平总体较高,但南部地区廊道稀疏却断裂点密集,网络连通性较低。3)划分生态安全等级、叠加“三生空间”范围,将三明市划分成核心重点区(16.13%)、监测预警区(25.04%)、缓冲过渡区(35.53%)、保育防护区(23.30%)四大类12类生态修复小区。在此基础上,针对不同修复分区提出生态防护建议,以期达到南方丘陵地区维护区域生态安全、实现城市高质量发展的目标。

关键词：生态保护红线生态安全格局生态修复分区三明市

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航空发动机泵用控制器一体化滤波组件设计

航空发动机 2024年

作者：边学良曹宽张振华贾雨庆西安航天精密机电研究所

针对航空发动机燃滑油泵用控制器电磁兼容性（EMC）试验项目CE102和RE102，根据设备的特点，从设计要求、滤波电路设计和结构设计几方面进行了一体化滤波组件的总体方案设计。通过采用工程经验以及公式计算滤波器参数的方法设计的一体... 详细信息

针对航空发动机燃滑油泵用控制器电磁兼容性（EMC）试验项目CE102和RE102，根据设备的特点，从设计要求、滤波电路设计和结构设计几方面进行了一体化滤波组件的总体方案设计。通过采用工程经验以及公式计算滤波器参数的方法设计的一体化滤波组件并不能使设备一次性通过电磁兼容性的全部试验项目考核，根据实际工况进行试验摸底测试，对未通过的试验项目的超标点进行分析与定位后，确定其原因是由于电路设计中无Y电容去泄放共模干扰，计算选用的共模电感的电感量偏小所致。结果表明：通过采取增加共模电感量和输出线屏蔽的措施和在设备输入端加装一体化滤波组件，消除或减小了其在电源线和信号线上产生的传导干扰，使试验项目顺利通过。

关键词：电磁兼容性一体化滤波组件燃滑油泵控制器航空发动机