论文部分内容阅读
离心泵广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域,在石油、化工、冶金、城市给排水、农业灌溉等领域发挥着重要的作用。随着计算机技术和流体动力学(CFD)技术的发展,人们对离心泵的性能要求也越来越高。现阶段离心泵的优化设计大多数是单目标优化且没有考虑叶轮和蜗壳的匹配关系,流场模拟忽略了叶轮和蜗壳间的耦合特性,导致离心泵的优化设计结果不甚理想。本文的研究方法和内容对于改善离心泵性能和完善离心泵优化设计理论具有借鉴意义。本文以低比转速离心泵为研究对象,建立了离心泵的损失、汽蚀性能和稳定性的多目标优化数学模型,采用Matlab遗传算法工具箱进行优化计算。根据优化后的几何参数建立离心泵的流场模型并进行了网格划分和边界条件设定。数值模拟离心泵全流场以及叶轮和蜗壳耦合特性并预测了其扬程和效率等性能指标。考虑离心泵叶轮和蜗壳间的匹配关系,确定最佳工况点下的理论扬程;建立了以离心泵的能量损失、汽蚀性能和H -Q曲线无驼峰的多目标优化数学模型,并根据分目标函数的重要性不同,利用线性加权法统一目标函数;确定了适合本研究问题的优化变量范围。采用Matlab遗传算法工具箱进行优化计算,得出离心泵几何参数的最优组合解,使离心泵的能量损失减少了1130.7w,汽蚀余量降低了0.4258m,离心泵的H -Q曲线稳定性也有很大的改善,理论分析优化结果的可行性。采用Pro/ENGINEER软件进行离心泵的叶轮和蜗壳三维流场的建模,使用CFD前处理软件Gambit对离心泵整机三维流场模型进行网格划分,确定了边界条件和流体类型。选择Fluent软件对离心泵的整体三维流场以及叶轮和蜗壳间的耦合特性进行数值模拟。选择Fluent的后处理功能得到了离心泵内部全流场压力云图、速度矢量以及叶轮和蜗壳耦合面上的速度矢量图;分析了不同工况下离心泵内部全流场的压力和速度分布的变化;从数值模拟数据中导出离心泵进出口处的压力和叶轮绕Z轴的力矩,对离心泵的理论扬程和效率进行性能预测,进一步验证了数值模拟和优化设计的正确性。本文将多目标优化设计、遗传算法和CFD流场数值模拟结合起来,对改善离心泵的整机性能和研究全流场的复杂运动规律具有重要的借鉴意义。