離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、    離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢    徐宏偉 劉莉doi：10.19392/ki.16717341.201720101摘要：本文著重介紹水泵傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上敘述基于cfd分析的水泵葉輪設(shè)計(jì)方法以及它的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于我國較少研究的全三元反設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，對(duì)它的設(shè)計(jì)方法和理念進(jìn)行介紹。通過分析得出離心泵未來的發(fā)展趨勢是借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：離心泵；葉輪；優(yōu)化設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢國家相關(guān)部門經(jīng)過統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國年耗電量的10%是由離心泵工作消耗，這就說明離心泵的工作耗電量較大，需要得到改善。離心泵這一類葉輪機(jī)械的能量消耗主要發(fā)生

2、在葉輪中，因此在設(shè)計(jì)過程中，提高葉輪的工作效率就可以降低離心泵的能量消耗，對(duì)于我國普及節(jié)能工作開展具有重要意義。隨著世界計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在離心泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也逐漸，現(xiàn)在的cfd技術(shù)能夠?qū)﹄x心泵流場進(jìn)行分析計(jì)算，所得結(jié)果有效可靠，與實(shí)際相符合。本文主要介紹傳統(tǒng)離心泵設(shè)計(jì)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并且對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算設(shè)計(jì)的方式做了介紹，體現(xiàn)cfd在離心泵設(shè)計(jì)中的重要性。1 現(xiàn)有優(yōu)化設(shè)計(jì)方法離心泵葉片傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是一元設(shè)計(jì)理論，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。在設(shè)計(jì)過程中利用假設(shè)的方法將流體流動(dòng)問題進(jìn)行簡化，例如可以假設(shè)葉輪中的流體被葉輪分為多層，流體互不混雜地沿層流動(dòng)。研究單個(gè)旋轉(zhuǎn)流面流動(dòng)

3、時(shí)，可以假設(shè)有無限個(gè)葉片，這樣就可以求出流面上的流線，把相對(duì)流線進(jìn)行疊加之后，形成了葉片表面，把這個(gè)圖形加厚之后，就能夠得到葉片的壓力面和吸力面。所以畫出各個(gè)回轉(zhuǎn)面上的相對(duì)流線就是對(duì)葉片的線性設(shè)計(jì)。離心泵中流體流動(dòng)是復(fù)雜的三維流動(dòng)，所以其設(shè)計(jì)并不簡單，一般會(huì)做簡化處理，利用一元流動(dòng)設(shè)計(jì)理論，使得計(jì)算變簡單，具體的方法為，假設(shè)葉輪中流體都是軸對(duì)稱流動(dòng)，這樣同一個(gè)截面上軸面流動(dòng)就會(huì)均勻分布，流速只會(huì)隨著一個(gè)坐標(biāo)變化而變化。具體三個(gè)步驟為：（1）繪制葉輪的軸面圖形；（2）生成回流轉(zhuǎn)面；（3）繪制葉輪葉片的模型。這三個(gè)步驟中，最為重要的是葉輪葉片繪型，它是由作圖法和解析法相結(jié)合的一種方法，對(duì)一元設(shè)計(jì)理

4、論具有重要作用。一元設(shè)計(jì)理論當(dāng)然也會(huì)存在許多的缺點(diǎn)，它比較明顯的五個(gè)缺點(diǎn)是：（1）不能準(zhǔn)確計(jì)算葉片前方的流速，導(dǎo)致沖角過大；（2）無法控制葉片表面的流體負(fù)荷；（3）雖然葉片表面能夠滿足角度光滑，但是葉片表面的相對(duì)流速卻不能保證光滑；（4）葉輪流道的內(nèi)部相對(duì)流速會(huì)受到許多因素的影響；（5）無法確定最優(yōu)的葉片設(shè)計(jì)方案。所以必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，才能夠克服以上的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)更優(yōu)良的水泵葉片。我們要注意的是，雖然一元葉片設(shè)計(jì)方式存在許多問題，需要拓展新方式，但是我們不能完全地拋棄這個(gè)方法，要保留其中優(yōu)良的部分，與新的方法相結(jié)合，提升水泵的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代較常用的設(shè)計(jì)法是基于cfd的設(shè)計(jì)方法，由于傳統(tǒng)的方

5、式要進(jìn)行反復(fù)多次計(jì)算，比較麻煩，所以在科技飛速發(fā)展的今天，我們結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，各類的cfd軟件不斷涌現(xiàn)，避免了繁雜的人工計(jì)算，cfd技術(shù)正被大量運(yùn)用于三維流場分析。如同流體力學(xué)的正、反問題一樣，離心泵的水力計(jì)算也是如此。正問題是流體流動(dòng)的全部邊界條件都已知，求解流動(dòng)的參數(shù)，也叫做流體分析。反問題就是設(shè)計(jì)離心泵的問題，如果設(shè)計(jì)它的水力結(jié)構(gòu)，求出幾何邊界，就是需要解決的問題。所以分析可知，cfd設(shè)計(jì)對(duì)于葉片性能的控制能力很差，這成為了目前學(xué)者們共同努力研究的問題。通過不斷地努力發(fā)現(xiàn)，全三元反問題分析法能夠提高可控性，更加地高了葉輪設(shè)計(jì)的優(yōu)良性。2 離心泵葉輪設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢2.1 多目標(biāo)優(yōu)化通

6、過對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行綜合分析可以建立一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化模型，這個(gè)模型的目標(biāo)函數(shù)為：f1：d22=（n60）2gh1+nq160b22tg21-sin2zf2：n=24r42（1-2zsin2）ctg2（b22）+nf3=npshr=0.02834/3（1+21-2）2/3×（q1v）2/322（121+2）1/3通過對(duì)模型進(jìn)行分析修改，可以得到最佳的模型，解決許多實(shí)際問題。2.2 遺傳算法遺傳算法是借鑒生物學(xué)進(jìn)化規(guī)律進(jìn)行搜索與尋優(yōu)的計(jì)算方法，這種算法結(jié)合達(dá)爾文的物競天擇、適者生存的理論，能夠做到全局搜索，達(dá)到了求解問題的新高度，是一種十分優(yōu)良的計(jì)算方式，解決傳統(tǒng)方法不能解決的問題，達(dá)到全局

7、最優(yōu)。wahba和toudidakis在離心泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化中引入遺傳算法，可以建立損失最小和揚(yáng)程最大的計(jì)算模型，建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，二維流場計(jì)算中用有限差分法計(jì)算，對(duì)適應(yīng)值函數(shù)通過流場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，這樣的計(jì)算方式能夠得到最佳的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化水泵。2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦的工作性質(zhì)的工具，通過大量簡單處理的單元相互連接，形成一個(gè)人工網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行計(jì)算、分析、學(xué)習(xí)等的工具，具有計(jì)算精度高、推算清楚等優(yōu)點(diǎn)。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與三維粘性流動(dòng)分析可以對(duì)水泵的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。3 結(jié)論利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)”可以真實(shí)模擬三維離心泵中流場的分布情況，認(rèn)識(shí)離心泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)以及判斷該水力模型是否滿足要求。提高泵效率、降低成本的最有效方式就是基于三維流場仿真分析的離心泵水