一种基于ＣＦＤ的离心泵多工况水力优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ＣＦＤ的离心泵多工况水力优化方法，包含以下步骤：第一，基于外特性实验建立离心泵多工况水力优化的初始样本库；第二，建立基于ＣＦＤ的离心泵多工况水力优化模型；第三，基于单点水力设计和均匀设计法，采用ＣＦＤ技术生成离心泵多工况水力优化的样本库，并构建响应面近似模型；第四，采用全局优化算法对近似模型进行全局优化；第五，根据优化结果，采用ＰＣＡＤ对离心泵进行水力设计，从而得到离心泵的多工况水力模型。本发明专利技术不仅能根据多个工况下的性能要求对离心泵进行多工况水力优化，以提高其加权平均效率，并扩大其高效区范围，还可以为主动控制小流量工况下不稳定流动和抑制大流量工况下汽蚀发生提供借鉴。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于离心泵水力优化领域，具体涉及一种基于CFD的离心泵多工况水力设 计方法，主要用于指导离心泵的水力优化以及节能改造，以提高离心泵的加权平均效率及 其扩大离心泵高效区范围。
技术介绍
目前，传统的离心泵设计方法是单工况(设计工况)设计方法，无法兼顾离心泵多 个工况之间的性能，其多个工况下的性能主要是通过反复的“设计一计算(或试验)一修改” 实现的。在设计开发过程中没有充分利用CFD技术进行离心泵的辅助分析和优化，经验仍 占主导地位，CFD仅是用来检验设计的结果，而不是用来驱动产品设计。因此，该方法不但 设计效率低，而且高效区范围窄，主要原因是其主要几何参数不是最优解。若能将离心泵传统的“设计一计算(或试验)一修改”过程通过一集成平台自动探 索最优方案，则离心泵将会突破传统设计的瓶颈，实现离心泵多工况水力优化设计。随着计 算机技术和优化算法的快速发展，上述假设已变成现实。iSIGHT优化设计平台可以实现各 种CFD软件和自编程序的集成，并提供先进的优化设计方法，实现了设计过程的自动化和 数据的可视化。因此，利用iSIGHT平台集成CFD软件和自编程序，实现离心泵多工况水力 优化设计，最终达到离心泵“设计一计算一修改”过程的自动化，具有重要的现实意义。经检索，至今尚未见关于基于CFD的离心泵多工况水力优化方法的文献和申报专 利，仅有一些学者做离心泵非设计工况下CFD数值模拟等研究工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于CFD的离心泵多工况水力优化方法，通过采用外特 性实验、CFD技术和全局优化算法来解离心泵多工况水力优化问题，从而求解出一组关键几 何参数的最优解集。为达到以上目的，采用如下技术方案采用外特性实验建立初始样本库，并采用均勻设计方法和CFD技术补充样本库，从而 构建起响应面近似模型；并在此基础上，采用iSIGHT软件集成Pro/E、Gambit、Fluent以及 自编的离心泵多工况性能计算程序pmcc. exe，选用自适应模拟退火算法(或基于初始种群 渐进漂移的自适应遗传算法)来求解离心泵多工况水力优化问题。其水力设计方法步骤如下(1)基于外特性实验建立离心泵多工况水力优化的初始样本库； 搭建离心泵外特性试验台；离心泵扬程//由离心泵进、出口的压力表测量得到；采用电 测法测量离心泵的功率/7 ；离心泵流量C由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出；离心 泵的效率η由公式η:β_Ρ .、通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵进、出口之间的压力差，建立关键几何 參H β 2、b2、z、Dxm、Φ、F、為、00、力3、久、代)与不同工况下离心泵扬程劣之间的关系；通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵功率Λ，建立关键几何参数与功 率Λ之间的关系；通过测量出口管路的流量《，建立关键几何参数与不同工况下离心泵效 率7 i之间的关系；基于上述外特性实验，建立离心泵多工况水力优化的初始样本库。 (2)建立基于CFD的离心泵多工况水力优化模型；求设计变量 ζ=队，β ^b2iZiDl, β ^bvDi, Φ U 沴 0，办3，久，AJτ，使且满足约束条件H1^ =垡？显—’巡 +Az = CmP^ ^ Mm = C式中-J为各工况点，i为泵进、出口总水头之差#为叶轮扭矩；『为叶轮的角速度-A为叶轮出口直径-’β2为叶片出口安放角Φ2为叶轮出口宽度^为叶片数-A为叶 片进口直径M1为叶片进口安放角A为叶片进口宽度-,Di为叶轮进口直径；0为叶片包 角 八为蜗壳喉部面积.Jh为蜗壳基圆直径；为蜗壳隔舌角-’h为蜗壳进口宽度.A为泵 进口直径武为泵出口直径。(3)基于单点水力设计和均勻设计法，采用CFD技术生成离心泵多工况水力优化 的样本库，并构建响应面近似模型；基于单点设计方法对离心泵进行初始设计；选择均勻设计方法作为实验设计方法，以 减少CFD试验次数；选择关键几何参数込、々2、力2、^、仏、β ^b^D^ Φ H 4>0、bz、Ds、DA 作为设计参数，根据均勻设计方法确定了 50组离心泵CFD试验方案；根据上述50组CFD实验方案，分别采用Pro/E对其进行三维造型，并输出关键几何参 数的关系表达式input, txt作为下一步优化的输入文件；分别采用Gambit对其进行网格化 分；分别采用Fluent数值计算，得到其样本点的性能，并保存到样本库中；构建样本点的几 何参数与离心泵性能之间的近似模型。(4)采用全局优化算法对近似模型进行多工况多目标全局优化；采用Visual C++ 2005将其编写成离心泵多工况性能计算程序pmcc.exe，该程序根据 不同工况下离心泵CFD数值计算得到的扬程//和扭矩#，计算出其功率厂以及效率t并将 扬程从功率/7以及效率Π保存到output, txt中；采用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自编的离心泵多工况性能计算程序，并 以离心泵单点设计得到的关键几何参数值为设计变量、多个工况下的扬程和功率为约束条 件、多个工况下效率最大为目标函数，同时使用自适应遗传算法、或基于初始种群渐进漂移 的自适应遗传算法，对近似模型进行多目标全局优化；如果不满足收敛准则，则把CFD计算得到的性能值保存到样本库，重新构建近似模型， 并改变设计变量值进行全局优化，直至满足收敛准则为止；收敛后，将关键几何参数的最优 解及离心泵的性能值分别保存在input, txt和output, txt中。(5)根据优化结果，采用泵水力设计软件PCAD2010对离心泵进行水力设计，从而 得到离心泵多工况水力优化模型。本专利技术的优点在于孓能够根据离心泵多个工况下的扬程和功率要求，以并以 各工况点的效率最大为目标函数，对其进行多工况水力优化设计；f还可以根据多个工 况点下的扬程要求，并以各工况点的功率最小、效率最大为目标函数，对离心泵进行节能改 造；1:还可以为主动控制小流量工况下不稳定流动和抑制大流量工况下汽蚀发生提供借 鉴。附图说明图1为离心泵多工况水力优化设计方法的流程图。图2为本专利技术实施例的优化系统图。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。本实施例基于CFD的离心泵多工况水力优化方法的流程如图1所示，包括如下步 骤(1)基于外特性实验建立离心泵多工况水力优化的初始样本库。搭建离心泵外特性试验台；离心泵扬程//由离心泵进、出口的压力表测量得到；采 用电测法测量离心泵的功率P ；离心泵流量C由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出； 离心泵的效率η由公式n:fl_P。通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵进、出口之间的压力差，建立关键 几何参数(丛、β 2、b2、z、Dx、β X、H、Φ、H 4>pb、、Ds、D)与不同工况下离心泵扬程 Hi之间的关系；通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵功率Λ，建立关键几何参数 与功率Λ之间的关系；通过测量出口管路的流量《，建立关键几何参数与不同工况下离心 泵效率7 i之间的关系。基于上述外特性实验，建立离心泵多工况水力优化的初始样本库。(2)建立基于CFD的离心泵多工况水力优化模型。求设计变量ζ=[丛，A2,氏，&仏，A1，夂，化，Φ,F”D》Φ Ds,D^At本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＣＦＤ的离心泵多工况水力优化方法，其特征在于，根据给定多个工况点下的扬程和功率值，基于外特性实验和ＣＦＤ数值计算得到的样本库构建的近似模型，采用合适的全局优化算法对离心泵多工况水力优化问题进行求解，从而计算出离心泵关键几何参数的最优值，其中，工况点ｉ≥３；具体步骤如下：　　（Ａ）基于外特性实验建立离心泵多工况水力优化的初始样本库；　　搭建离心泵外特性试验台；离心泵扬程Ｈ由离心泵进、出口的压力表测量得到；采用电测法测量离心泵的功率Ｐ；离心泵流量Ｑ由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出；离心泵的效率η由公式η＝ρｇＱＨ／Ｐ；　　通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵进、出口之间的压力差，建立关键几何参数（Ｄ↓［２］、β↓［２］、ｂ↓［２］、ｚ、Ｄ↓［１］、β↓［１］、ｂ↓［１］、Ｄ↓［ｊ］、φ、Ｆ↓［ｔ］、Ｄ↓［３］、φ↓［０］、ｂ↓［３］、Ｄ↓［ｓ］、Ｄ↓［ｄ］）与不同工况下离心泵扬程Ｈｉ之间的关系；通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵功率Ｐ↓［ｉ］，建立关键几何参数与功率Ｐ↓［ｉ］之间的关系；通过测量出口管路的流量Ｑ↓［ｉ］，建立关键几何参数与不同工况下离心泵效率η↓［ｉ］之间的关系；　　基于上述外特性实验，建立离心泵多工况水力优化的初始样本库；　　（Ｂ）建立基于ＣＦＤ的离心泵多工况水力优化模型；　　求设计变量ｘ＝［Ｄ↓［２］，β↓［２］，ｂ↓［２］，ｚ，Ｄ↓［１］，β↓［１］，ｂ↓［１］，Ｄ↓［ｊ］，φ，Ｆ↓［ｔ］，Ｄ↓［３］，φ↓［０］，ｂ↓［３］，Ｄ↓［ｓ］，Ｄ↓［ｄ］］↑［Ｔ］，使η↓［ｉ］（ｘ）＝ρｇＱ↓［ｉ］Ｈ↓［ｉ］／Ｐ↓［ｉ］→ｍａｘ且满足约束条件Ｈ↓［ｉ］（ｘ）＝（Ｐ↓［出口总压］－Ｐ↓［进口总压］）／ρｇ＋Δｚ＝ｃ　　Ｐ↓［ｉ］（ｘ）＝Ｍω＝ｃ　　式中：ｉ为各工况点，ｉ≥３；Δｚ为泵进、出口总水头之差；Ｍ为叶轮扭矩；ｗ为叶轮的角速度；Ｄ↓［２］为叶轮出口直径；β↓［２］为叶片出口安放角；ｂ↓［２］为叶轮出口宽度；ｚ为叶片数；Ｄ↓［１］为叶片进口直径；β↓［１］为叶片进口安放角；ｂ↓［１］为叶片进口宽度；Ｄ↓［ｊ］为叶轮进口直径；φ为叶片包角；Ｆ↓［ｔ］为蜗壳喉部面积；Ｄ↓［３］为蜗壳基圆直径；φ↓［０］为蜗壳隔舌角；ｂ↓［３］为蜗壳进口宽度；Ｄ↓［ｓ］为泵进口直径；Ｄ↓［ｄ］为泵出口直径；　　（Ｃ）基于单点水力设计和均匀设计法，采用ＣＦＤ技术生成离心泵多工况水力优化的样本库...

【技术特征摘要】
一种基于CFD的离心泵多工况水力优化方法，其特征在于，根据给定多个工况点下的扬程和功率值，基于外特性实验和CFD数值计算得到的样本库构建的近似模型，采用合适的全局优化算法对离心泵多工况水力优化问题进行求解，从而计算出离心泵关键几何参数的最优值，其中，工况点i≥3；具体步骤如下(A)基于外特性实验建立离心泵多工况水力优化的初始样本库；搭建离心泵外特性试验台；离心泵扬程H由离心泵进、出口的压力表测量得到；采用电测法测量离心泵的功率P；离心泵流量Q由离心泵出口管路系统上的电磁流量计读出；离心泵的效率η由公式η=ρgQH/P；通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵进、出口之间的压力差，建立关键几何参数(D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd)与不同工况下离心泵扬程Hi之间的关系；通过测量得到的不同比转数、不同工况下离心泵功率Pi，建立关键几何参数与功率Pi之间的关系；通过测量出口管路的流量Qi，建立关键几何参数与不同工况下离心泵效率ηi之间的关系；基于上述外特性实验，建立离心泵多工况水力优化的初始样本库；(B)建立基于CFD的离心泵多工况水力优化模型；求设计变量x=[D2,β2,b2,z,D1,β1,b1,Dj,φ,Ft,D3,φ0,b3,Ds,Dd]T，使且满足约束条件式中i为各工况点，i≥3；Δz为泵进、出口总水头之差；M为叶轮扭矩；w为叶轮的角速度；D2为叶轮出口直径；β2为叶片出口安放角；b2为叶轮出口宽度；z为叶片数；D1为叶片进口直径；β1为叶片进口安放角；b1为叶片进口宽度；Dj为叶轮进口直径；φ为叶片包角；Ft为蜗壳喉部面积；D3为蜗壳基圆直径；φ0为蜗壳隔舌角；b3为蜗壳进口宽度；Ds为泵进口直径；Dd为泵出口直径；(C)基于单点水力设计和均匀设计法，采用CFD技术生成离心泵多工况水力优化的样本库，并构建响应面近似模型；基于单点设计方法对离心泵进行初始设计；选择均匀设计方法作为实验设计方法，以减少CFD试验次数；选择关键几何参数D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、F...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚林，王凯，袁寿其，谈明高，王勇，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]