低比转速复合叶轮离心泵的优化设计和试验研究

论文摘要

低比转速离心泵主要的能量转换在复合叶轮内完成,因此针对复合叶轮的优化设计对离心泵的节能降耗有重要意义。CFD技术的快速发展为低比转速复合叶轮离心泵的优化设计提供了强有力的手段。本文在课题组原有研究的基础上以效率为优化目标,基于三维流动分析对具有长、短叶片的复合叶轮进行了优化设计,并对优化前后叶轮的低比转速复合叶轮离心泵整机进行了数值模拟与性能预测,最后对优化前后叶轮的离心泵进行了试验研究。主要内容如下:（1）介绍了本文优化设计及数值计算所采用的方法,利用Pro/E对过流部件:叶轮、诱导轮、蜗壳进行了建模。利用NUMECA软件,采用结构化网格对整机进行了网格划分;（2）对复合叶轮进行了参数化造型,以复合叶轮出口角β2和短叶片起始直径Di2两个参数为优化变量,及复合叶轮出口角β2一个参数为优化变量,在这两种优化策略下,基于效率为优化目标对复合叶轮单通道进行了优化设计研究,得到了两种策略下优化后的叶轮几何模型,将其绘制成零件图,为后续叶轮的加工提供依据;（3）采用雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras模型湍流模型对优化前后叶轮的低比转速离心泵（共3台）进行了整机的三维数值模拟;分析优化前后离心泵过流部件内的流场特性;并对整机工况下优化前后叶轮的低比转速离心泵性能进行了预测,验证了优化叶轮的离心泵的效率确实有所提高。（4）对CFD优化前后叶轮的离心泵进行了外特性试验研究,得到了优化前后叶轮离心泵的性能曲线,并和数值模拟进行了对比分析。试验结果表明,优化设计得到的叶轮Ⅰ与叶轮Ⅱ达到预期的性能,验证了单个复合叶轮优化的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的及意义
• 1.2 离心泵优化设计的发展与现状
• 1.2.1 CAD 设计时期
• 1.2.2 建立特定的数学模型时期
• 1.2.3 CFD 技术为时期
• 1.3 离心泵的优化方法
• 1.3.1 速度系数法
• 1.3.2 损失极值法
• 1.3.3 反-正-反准则筛选法
• 1.3.4 非数值全局优化法
• 1.4 离心泵的试验研究
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 复合叶轮的三维优化设计
• 2.1 复合叶轮的几何参数与三维造型
• 2.2 复合叶轮的参数化造型
• 2.2.1 拟合方法
• 2.2.2 子午曲线拟合
• 2.2.3 叶片曲面拟合
• 2.2.4 复合叶轮拟合结果
• 2.3 复合叶轮优化参数选择与设置
• 2.3.1 优化参数的选择
• 2.3.2 几何参数的优化范围
• 2.3.3 参数的范围给定和关联
• 2.4 数值模拟计算方法
• 2.4.1 控制方程组
• 2.4.2 湍流模型
• 2.4.3 离散空间法
• 2.4.4 时间离散格式
• 2.4.5 隐式残差光顺
• 2.4.6 多重网格技术
• 2.5 复合叶轮网格
• 2.6 边界设置
• 2.7 复合叶轮的优化策略
• 2.8 优化结果
• 2.9 优化后复合叶轮的加工图纸
• 2.10 本章小结
• 第三章 优化前后低比转速复合叶轮离心泵的整机数值模拟
• 3.1 过流部件的三维造型
• 3.2 过流部件网格的生成
• 3.2.1 诱导轮网格生成
• 3.2.2 复合叶轮网格生成
• 3.2.3 蜗壳网格生成
• 3.2.4 整机网格生成
• 3.3 数值计算方法与设置
• 3.4 数值模拟结果及分析
• 3.4.1 复合叶轮
• 3.4.2 诱导轮
• 3.4.3 蜗壳
• 3.4.4 离心泵性能预测
• 3.5 本章小结
• 第四章 优化前后低比转速复合叶轮离心泵的试验研究
• 4.1 试验内容与试验方法
• 4.1.1 试验内容
• 4.1.2 试验方法
• 4.2 试验系统
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 流量调节与测量
• 4.2.3 压力测量
• 4.2.4 轴功率测量
• 4.3 叶轮实体
• 4.4 试验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果