离心泵水力模型多目标优化研究

论文摘要

针对目前离心泵多目标优化问题,本文提出了泵的损失、汽蚀性能和稳定性三目标函数与超传递近似法相结合的多目标优化方法。其主要内容是考虑此三性能函数在泵的使用中重要程度的不同,通过超传递近似法对分目标函数予以评价,得到各目标函数的权值,从而得到离心泵几何参数的相对最优解。本文从数学模型的建立、程序优化、三维水力模型建立及网格划分和流场解析对比方面进行了研究。首先,根据各目标函数重要程度的不同,结合超传递近似法给出了各自的权值,通过线性加权的方法统一了目标函数,确定了合适的约束范围,从而建立了完整的数学模型。利用FORTRAN语言通过直接寻优的复合形法对数学模型进行了计算,最终得到了约束范围内的最佳变量组合。其次,利用三维制图软件pro/e对离心泵优化前后的叶轮和蜗壳分别进行了三维实体造型;利用CFD前处理软件GAMBIT对其进行了网格划分,并确定了模型的边界和流体的性质;利用FLUENT软件对整个流场进行仿真计算,湍流模型采用标准k-ε模型,压力速度耦合方式采用SIMPLE方法,得到了离心泵内部全流场数值解析数据。最后,应用后处理手段,得到了优化前后流场的速度矢量图、压力分布云图等,通过对流场情况的对比分析,我们发现优化后靠近叶轮流道入口处叶片背面的负压值明显小于优化前,且流道内部的轴线涡流基本消除,从而证明了优化方法的正确性及优化效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.1.1 离心泵的应用及节能的意义
• 1.1.2 优秀离心泵水力模型的定义
• 1.1.3 优化设计的含义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 优秀水力模型的研究进展
• 1.2.2 优化方法的进展
• 1.2.3 流场解析的进展
• 1.3 本文的研究内容及方法
• 第2章 离心泵多目标优化数学模型
• 2.1 泵的损失分目标函数
• 2.1.1 机械损失
• 2.1.2 容积损失
• 2.1.3 水力损失
• 2.2 泵的汽蚀余量分目标函数
• 2.3 扬程驼峰分目标函数
• 2.3.1 无限多叶片假设下的特性曲线
• 2.3.2 有限叶片时的特性曲线
• 2.3.3 消除驼峰方法
• 2.4 统一目标函数
• 2.5 本章小结
• 第3章 离心泵水力模型优化算法及算例
• 3.1 优化算法-复合形法
• 3.2 水力模型叶轮几何参数优化算例
• 3.2.1 优化源程序确定
• 3.2.2 权值的确定
• 3.2.3 分目标函数合理值和变量约束的确定
• 3.2.4 总目标函数及约束的程序代码
• 3.2.5 优化结果对比分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 离心泵3D建模及网格划分
• 4.1 叶轮流道
• 4.2 蜗壳流道
• 4.3 网格划分
• 4.4 本章小结
• 第5章 离心泵优化前后流场的解析对比
• 5.1 泵内流场的解析
• 5.1.1 确定控制方程
• 5.1.2 选择合适的湍流模型
• 5.1.3 确定合适的边界条件
• 5.1.4 确定离散方法
• 5.1.5 参数设置及求解
• 5.2 优化前后流场对比
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表