基于CFD技术的150S-50双吸离心泵性能预测和节能优化

论文摘要

能源的日益紧张对离心泵的研究和制造提出了新的要求,离心泵不仅需要适应越来广泛的应用领域,还需要适应越来越严格的节能要求,这就要求离心泵在研究、设计和制造等环节中有新的突破。进入21世纪一来,计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic, CFD）技术在模拟离心泵内部流动中得到了广泛和有效的应用。将CFD技术和优化设计方法结合起来,能够大大提高产品的研发周期以及提高产品的性能,这已成为一个热门的发展方向。本文的主要工作和成果如下：1.对CFD数值模拟技术及其在离心泵设计中的应用概况、以及离心泵的优化设计方法的研究现状进行了总结。2.使用Pro/e软件对150S-50双吸离心泵三维水力模型建立模型,运用Gambit对模型进行网格划分。在分析比较数值模拟中常用的湍流模型和计算方法后,选择最适合本文模型的数值模拟设置,利用Fluent对模型进行了整机非定常数值模拟。3.通过Fluent的模拟结果,对150S-50双吸离心泵进行性能预测并对叶轮流场、蜗壳流场和气蚀情况进行了分析,验证所选数值模拟方法的可行性。4.在总结文献的基础上,提出了泵的优化方案。在优化过程中,分析已有的机械损失、容积损失和水力损失的经验公式,选择对本文模型预测最准确的一组公式。接着以离心泵总效率为优化目标函数,以五个叶轮的设计参数为自变量,推导出总效率和叶轮各个设计参数之间的函数关系。5.利用Matlab,分析效率与比转数、扬程之间的函数关系。使用遗传优化方法,求出总效率的最大值和新的叶轮设计参数,从理论上计算出总效率提升了1.65%。重新建立三维水力模型,并再次使用非定常数值模拟方法对优化方法进行了验证。结果表明：优化后的泵在标准工况下总效率提升1.67%,实现了优化目的标,达到了节能目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 CFD技术概况
• 1.2.2 CFD在流体机械中的研究现状
• 1.3 需解决的关键问题
• 1.3.1 水力模型建模问题
• 1.3.2 网格划分问题
• 1.3.3 湍流模型选取问题
• 1.3.4 计算方法选取问题
• 1.3.5 优化模型建立问题
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第2章 离心泵及性能参数计算
• 2.1 离心泵原理及其结构
• 2.2 离心泵分类及应用场合
• 2.2.1 泵的分类
• 2.2.2 泵的应用
• 2.3 离心泵中性能参数计算
• 2.3.1 流量
• 2.3.2 扬程
• 2.3.3 轴功率
• 2.3.4 转数
• 2.3.5 汽蚀余量
• 2.3.6 比转数
• 2.3.7 损失功率
• 2.3.8 效率
• 2.4 本章小结
• 第3章 三维建模及网格划分
• 3.1 三维水力模型建立
• 3.1.1 Pro/e简介
• 3.1.2 叶轮水力模型建立
• 3.1.3 蜗壳水力模型建立
• 3.1.4 吸水室水力模型建立
• 3.1.5 模型组装
• 3.2 网格划分
• 3.2.1 Gambit简介
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 设定边界条件
• 3.3 本章小结
• 第4章 内流场数值模拟及结果分析
• 4.1 Fluent简介
• 4.2 CFD计算方法及模型
• 4.2.1 数值模拟方法
• 4.2.2 湍流模型
• 4.2.3 定常与非定常
• 4.3 数值计算过程
• 4.4 性能预测及验证
• 4.5 计算结果分析
• 4.5.1 叶轮流场分析
• 4.5.2 气蚀分析
• 4.5.3 蜗壳流场分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 双吸离心泵性能优化
• 5.1 常用性能优化方法
• 5.1.1 优化方法最新发展
• 5.1.2 遗传算法简介
• 5.2 确定优化方案
• 5.3 MATLAB简介
• 5.4 优化计算过程
• 5.5 优化结果检验
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果