發(fā)布時(shí)間：2020-10-16 16:35

　　 眾所周知,軸流泵葉輪是泵裝置最核心也是最重要的過(guò)流部件,其設(shè)計(jì)的好壞直接決定了裝置乃至整個(gè)泵站的綜合效果。隨著日益復(fù)雜的運(yùn)行需求,對(duì)水泵設(shè)計(jì)提出了更高的設(shè)計(jì)要求。目前,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一種能夠?qū)⑺�力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合在一起的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,也就無(wú)法設(shè)計(jì)出滿足復(fù)雜運(yùn)行條件的優(yōu)化葉輪。在當(dāng)前不斷強(qiáng)調(diào)降低能耗的大背景下,耗材和運(yùn)行成本是考慮最多的因素。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮降低設(shè)計(jì)制造成本以及運(yùn)行成本時(shí),葉輪質(zhì)量和運(yùn)行效率這2個(gè)指標(biāo)是最直觀的表象指標(biāo)。除了這2個(gè)指標(biāo)外,設(shè)計(jì)人員還需要考慮軸流泵性能曲線形狀、空化性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)。一副設(shè)計(jì)成功的軸流泵葉輪,其結(jié)果應(yīng)該是能夠滿足這四個(gè)指標(biāo)的最終協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方案。本文為了提高軸流泵葉輪的綜合性能,系統(tǒng)的對(duì)軸流泵葉輪進(jìn)行多約束、多目標(biāo)、多工況和多學(xué)科(四多)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,開(kāi)發(fā)出能夠滿足工程實(shí)際應(yīng)用的軸流泵綜合性能最優(yōu)的葉輪,推動(dòng)國(guó)內(nèi)水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及方法的發(fā)展。在節(jié)約能源、降低軸流泵設(shè)計(jì)和制造成本方面具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。同時(shí)在大型泵站更新改造、水力模型設(shè)計(jì)比選方面具有實(shí)際的工程指導(dǎo)意義和重要的理論價(jià)值。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)值優(yōu)化和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段,對(duì)軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要形成以下研究成果:(1)針對(duì)葉柵稠密度、翼型安放角、翼型厚度和翼型拱度四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)軸流泵設(shè)計(jì)工況下水力性能進(jìn)行靈敏度分析�？偟膩�(lái)說(shuō),翼型安放角對(duì)軸流泵的水力性能影響最大,其次是葉柵稠密度,再其次是翼型拱度,對(duì)結(jié)果影響最小的是翼型厚度。在軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)靈敏度分析結(jié)果合理進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與調(diào)整。(2)介紹了基于數(shù)值模擬的數(shù)值優(yōu)化技術(shù),提出了 DOE分析的因子參數(shù)化建模方法,建立了軸流泵葉輪的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。并在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工況下大尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工況下,葉片數(shù)越多,汽蝕性能越差,效率越低,葉片數(shù)對(duì)汽蝕性能影響較為顯著。葉片數(shù)越多,揚(yáng)程曲線斜率越大,在大流量區(qū)域揚(yáng)程較低,在小流量區(qū)域揚(yáng)程較高。葉片數(shù)越多,最高效率值越低,高效區(qū)范圍往小流量區(qū)域偏移;設(shè)計(jì)工況下,輪轂比越大,效率越高,但汽蝕性能越差,輪轂比對(duì)汽蝕性能的影響比較顯著。輪轂比越大,揚(yáng)程性能曲線斜率越大,最大揚(yáng)程越高,馬鞍區(qū)揚(yáng)程范圍越大。輪轂比小,高效區(qū)范圍較寬,并往大流量側(cè)分布;改變翼型沖角,其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變時(shí),沖角增大,揚(yáng)程升高,最高效率增大,高效區(qū)往大流量偏移。為了使翼型處于更高質(zhì)量區(qū),建議輪緣側(cè)翼型沖角在0～3°之間,且比轉(zhuǎn)數(shù)大的取小值。改變輪轂側(cè)和中間斷面翼型沖角時(shí),設(shè)計(jì)工況下,為了得到較高揚(yáng)程和較高效率的軸流泵葉輪,可以適當(dāng)增加中間斷面的翼型沖角,同時(shí)為了減小葉片扭曲改善非設(shè)計(jì)工況的水力性能,可以適當(dāng)減小輪轂側(cè)的翼型沖角。比轉(zhuǎn)數(shù)保持一致時(shí),沖角增大,揚(yáng)程的斜率減小,最高效率值保持相當(dāng),高效區(qū)范圍往大流量偏移且高效區(qū)范圍變寬。泵站實(shí)際工程可根據(jù)最高運(yùn)行揚(yáng)程和最低運(yùn)行揚(yáng)程以及效率曲線的分布情況靈活選擇葉輪葉片數(shù)量;而輪轂比和沖角則可以根據(jù)泵站實(shí)際運(yùn)行水位靈活選取。(3)根據(jù)導(dǎo)葉體的作用及設(shè)計(jì)要求,提出了關(guān)于導(dǎo)葉設(shè)計(jì)優(yōu)劣的3個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析了導(dǎo)葉體葉柵稠密度和出口角2個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響,同時(shí)對(duì)導(dǎo)葉體進(jìn)行了自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,最后對(duì)導(dǎo)葉體掃掠性能進(jìn)行了分析研究。設(shè)計(jì)工況下,葉柵稠密度越大,動(dòng)能回收系數(shù)越大,導(dǎo)葉回收的速度環(huán)量越大,出水流道的水力損失越小。在實(shí)際工程應(yīng)用中,為了兼顧設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的水力性能及全工況性能曲線的合理性,導(dǎo)葉出口角取值不宜過(guò)小,也不宜過(guò)大,可取90°～95°。優(yōu)化后導(dǎo)葉的水力損失下降了 40 cm;導(dǎo)葉體動(dòng)能回收系數(shù)從41.54%提高到85.74%,優(yōu)化后的導(dǎo)葉體可以回收更多的速度環(huán)量,導(dǎo)葉出口的速度分布均勻度有所提高,可以減小部分出水流道水力損失。設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程和效率均隨著掃掠角度增加先增大后減小,在導(dǎo)葉前掠16°左右,軸流泵的效率出現(xiàn)最大值。在大流量工況下軸流泵水力性能基本沒(méi)有變化;而在小流量工況下,前掠導(dǎo)葉軸流泵的水力性能明顯要優(yōu)于后掠導(dǎo)葉。(4)提出了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)歸一化的權(quán)重處理方法,針對(duì)泵站各工況運(yùn)行時(shí)間或重要性采用超傳遞矩陣計(jì)算各目標(biāo)的權(quán)重因子。與工程實(shí)際結(jié)合,將工程中提出的最大揚(yáng)程、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、平均揚(yáng)程和最小揚(yáng)程概化成基于高效區(qū)三個(gè)流量工況點(diǎn)優(yōu)化、最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程校核的多工況問(wèn)題。優(yōu)化后在設(shè)計(jì)流量偏小流量時(shí)揚(yáng)程有所減小,偏大流量時(shí)揚(yáng)程稍有提高。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率有所提高,大流量工況點(diǎn)效率提高了 7.4%,小流量工況點(diǎn)效率提高了 2.6%。除設(shè)計(jì)流量外兩工況效率均有所提升,效率曲線整體抬高,高效運(yùn)行范圍更寬,優(yōu)化效果明顯。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,優(yōu)化后軸流泵效率較高,高效區(qū)范圍明顯變寬,汽蝕性能有著大幅度的提高。(5)通過(guò)優(yōu)化拉丁方分析方法對(duì)軸流泵葉輪80個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行多工況的流固耦合計(jì)算,然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析,再對(duì)葉輪水力性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行近似模型建立,最后針對(duì)近似模型采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。小流量下的最大變形量受輪轂側(cè)最大翼型厚度影響最大,受其他設(shè)計(jì)變量影響較小。小流量下的最大應(yīng)力與各設(shè)計(jì)變量間均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì),且各設(shè)計(jì)變量的二階主效應(yīng)非常明顯。葉片質(zhì)量的大小與翼型安放角和翼型拱度基本無(wú)關(guān),主要受葉柵稠密度和翼型厚度的影響。響應(yīng)面近似模型的擬合效果要優(yōu)于其他近似模型。優(yōu)化后單張葉片質(zhì)量從0.947kg降低到0.848kg,降幅達(dá)到10.47%,而設(shè)計(jì)工況效率從93.91%提高到94.49%,增幅達(dá)到0.61%,優(yōu)化效果明顯。此外,除了最大應(yīng)力值誤差稍大之外,其他響應(yīng)的近似模型結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差均在0.5%以內(nèi),說(shuō)明近似模型精度較高,分析結(jié)果可靠。
【學(xué)位單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV136.2
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符合說(shuō)明
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 水泵設(shè)計(jì)方法
        1.2.2 水泵優(yōu)化方法
        1.2.3 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展
    1.3 擬解決的問(wèn)題
    1.4 研究?jī)?nèi)容
第二章 軸流泵數(shù)值模擬和優(yōu)化方法
    2.1 軸流泵數(shù)值模擬方法
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 紊流模型
        2.1.3 邊界條件
        2.1.4 網(wǎng)格模型
    2.2 軸流泵數(shù)值優(yōu)化技術(shù)
        2.2.1 參數(shù)化建模
        2.2.2 用戶界面的組成
        2.2.3 優(yōu)化方法
        2.2.4 自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)
        2.2.5 軟件集成
    2.3 葉片數(shù)對(duì)軸流泵性能的影響
        2.3.1 葉輪葉片數(shù)對(duì)軸流泵水力性能的影響
        2.3.2 導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)軸流泵水力性能的影響
    2.4 輪毅比對(duì)軸流泵性能的影響
    2.5 小結(jié)
第三章 軸流泵葉輪的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及分析
    3.1 DOE方法簡(jiǎn)介
    3.2 DOE分析方法
        3.2.1 參數(shù)試驗(yàn)
        3.2.2 全因子設(shè)計(jì)
        3.2.3 部分因子設(shè)計(jì)
        3.2.4 正交數(shù)組
        3.2.5 中心組合法
        3.2.6 拉丁超立方設(shè)計(jì)
        3.2.7 最優(yōu)拉丁超立方法
        3.2.8 自定義數(shù)據(jù)文件
    3.3 軸流泵葉片的DOE設(shè)計(jì)
        3.3.1 算法的選擇
        3.3.2 計(jì)算模型
        3.3.3 參數(shù)建模及DOE優(yōu)化流程
    3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)靈敏度分析
        3.4.1 DOE設(shè)計(jì)結(jié)果
        3.4.2 葉柵稠密度
        3.4.3 翼型安放角
        3.4.4 翼型拱度
        3.4.5 翼型厚度
    3.5 小結(jié)
第四章 軸流泵葉輪自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    4.1 參數(shù)化建模
    4.2 優(yōu)化流程
    4.3 優(yōu)化模型
    4.4 優(yōu)化算法
        4.4.1 梯度優(yōu)化的優(yōu)缺點(diǎn)
        4.4.2 梯度優(yōu)化原理
        4.4.3 約束
    4.5 不同葉片數(shù)的軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)
    4.6 不同輪轂比的軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)
    4.7 不同沖角的軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)
    4.8 小結(jié)
第五章 軸流泵導(dǎo)葉體優(yōu)化設(shè)計(jì)
    5.1 導(dǎo)葉主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)裝置水力特性的影響
        5.1.1 導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)
        5.1.2 葉柵稠密度對(duì)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的效果評(píng)價(jià)
        5.1.3 出口角對(duì)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的效果評(píng)價(jià)
    5.2 導(dǎo)葉體的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
        5.2.1 貝塞爾曲線參數(shù)化建模
        5.2.2 微遺傳算法及PIAnO優(yōu)化流程
        5.2.3 優(yōu)化結(jié)果與討論
    5.3 掃掠導(dǎo)葉對(duì)軸流泵水力性能的影響
    5.4 小結(jié)
第六章 軸流泵多工況自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    6.1 工況分析
    6.2 多目標(biāo)權(quán)重因子的處理
    6.3 軸流泵葉輪的參數(shù)化建模
    6.4 軸流泵段的多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)
        6.4.1 多工況計(jì)算模型
        6.4.2 多工況優(yōu)化模型
        6.4.3 多工況優(yōu)化流程
    6.5 優(yōu)化結(jié)果與分析
    6.6 小結(jié)
第七章 軸流泵多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)
    7.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)基礎(chǔ)
    7.2 耦合場(chǎng)分析的實(shí)現(xiàn)方法
    7.3 流固耦合計(jì)算分析
        7.3.1 參數(shù)模型
        7.3.2 網(wǎng)格及荷載
        7.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
        7.3.4 計(jì)算結(jié)果及分析
    7.4 計(jì)算結(jié)果靈敏度分析
    7.5 近似模型
        7.5.1 響應(yīng)面(RSM)模型
        7.5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF/EBF)模型
        7.5.3 Chebyshev正交多項(xiàng)式模型
        7.5.4 克里格(Kriging)模型
        7.5.5 近似模型構(gòu)造
    7.6 優(yōu)化設(shè)計(jì)
        7.6.1 優(yōu)化模型
        7.6.2 優(yōu)化算法
        7.6.3 優(yōu)化結(jié)果及分析
    7.7 小結(jié)
第八章 軸流泵模型試驗(yàn)研究
    8.1 模型泵樣機(jī)與安裝
    8.2 模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容
    8.3 模型試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法
        8.3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
        8.3.2 測(cè)試方法
    8.4 模型試驗(yàn)結(jié)果
        8.4.1 ZM55模型試驗(yàn)結(jié)果
        8.4.2 ZM63模型試驗(yàn)結(jié)果
    8.5 與國(guó)內(nèi)外同類模型泵比較
    8.6 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)對(duì)比
    8.7 多工況優(yōu)化前后泵段水力性能比較
    8.8 導(dǎo)葉掃掠前后軸流泵水力性能比較
    8.9 小結(jié)
第九章 總結(jié)與展望
    9.1 結(jié)論
        9.1.1 主要成果
        9.1.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    9.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀博士學(xué)位期間取得的相關(guān)科研成果

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8 周曄;常用水力模型在鐘祥市排水防澇工程中的應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2016年

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10 姜曉明;軸流泵水力模型系列型譜及其應(yīng)用軟件研究與開(kāi)發(fā)[D];河海大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2843499