發(fā)布時間：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流部件,其設(shè)計的好壞直接決定了裝置乃至整個泵站的綜合效果。隨著日益復(fù)雜的運行需求,對水泵設(shè)計提出了更高的設(shè)計要求。目前,國內(nèi)還沒有一種能夠?qū)⑺υO(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計融合在一起的協(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法,也就無法設(shè)計出滿足復(fù)雜運行條件的優(yōu)化葉輪。在當(dāng)前不斷強調(diào)降低能耗的大背景下,耗材和運行成本是考慮最多的因素。設(shè)計過程中考慮降低設(shè)計制造成本以及運行成本時,葉輪質(zhì)量和運行效率這2個指標(biāo)是最直觀的表象指標(biāo)。除了這2個指標(biāo)外,設(shè)計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)強度等指標(biāo)。一副設(shè)計成功的軸流泵葉輪,其結(jié)果應(yīng)該是能夠滿足這四個指標(biāo)的最終協(xié)調(diào)設(shè)計方案。本文為了提高軸流泵葉輪的綜合性能,系統(tǒng)的對軸流泵葉輪進行多約束、多目標(biāo)、多工況和多學(xué)科(四多)的優(yōu)化設(shè)計研究,開發(fā)出能夠滿足工程實際應(yīng)用的軸流泵綜合性能最優(yōu)的葉輪,推動國內(nèi)水泵優(yōu)化設(shè)計理論及方法的發(fā)展。在節(jié)約能源、降低軸流泵設(shè)計和制造成本方面具有重要的學(xué)術(shù)價值。同時在大型泵站更新改造、水力模型設(shè)計比選方面具有實際的工程指導(dǎo)意義和重要的理論價值。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)值優(yōu)化和模型試驗相結(jié)合的研究手段,對軸流泵優(yōu)化設(shè)計理論方法及應(yīng)用進行了系統(tǒng)的研究,主要形成以下研究成果:(1)針對葉柵稠密度、翼型安放角、翼型厚度和翼型拱度四個設(shè)計參數(shù),通過DOE試驗設(shè)計的方法對軸流泵設(shè)計工況下水力性能進行靈敏度分析�？偟膩碚f,翼型安放角對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,對結(jié)果影響最小的是翼型厚度。在軸流泵優(yōu)化設(shè)計時,可根據(jù)靈敏度分析結(jié)果合理進行設(shè)計參數(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優(yōu)化設(shè)計平臺。并在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了設(shè)計工況下大尺寸設(shè)計參數(shù)的自動優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計工況下,葉片數(shù)越多,汽蝕性能越差,效率越低,葉片數(shù)對汽蝕性能影響較為顯著。葉片數(shù)越多,揚程曲線斜率越大,在大流量區(qū)域揚程較低,在小流量區(qū)域揚程較高。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)計工況下,輪轂比越大,效率越高,但汽蝕性能越差,輪轂比對汽蝕性能的影響比較顯著。輪轂比越大,揚程性能曲線斜率越大,最大揚程越高,馬鞍區(qū)揚程范圍越大。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)計參數(shù)保持不變時,沖角增大,揚程升高,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,設(shè)計工況下,為了得到較高揚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,同時為了減小葉片扭曲改善非設(shè)計工況的水力性能,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,沖角增大,揚程的斜率減小,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。泵站實際工程可根據(jù)最高運行揚程和最低運行揚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)泵站實際運行水位靈活選取。(3)根據(jù)導(dǎo)葉體的作用及設(shè)計要求,提出了關(guān)于導(dǎo)葉設(shè)計優(yōu)劣的3個性能評價指標(biāo)。分析了導(dǎo)葉體葉柵稠密度和出口角2個主要設(shè)計參數(shù)對性能的影響,同時對導(dǎo)葉體進行了自動優(yōu)化設(shè)計研究,最后對導(dǎo)葉體掃掠性能進行了分析研究。設(shè)計工況下,葉柵稠密度越大,動能回收系數(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。在實際工程應(yīng)用中,為了兼顧設(shè)計工況點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小,也不宜過大,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)計工況揚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)計目標(biāo)函數(shù)歸一化的權(quán)重處理方法,針對泵站各工況運行時間或重要性采用超傳遞矩陣計算各目標(biāo)的權(quán)重因子。與工程實際結(jié)合,將工程中提出的最大揚程、設(shè)計揚程、平均揚程和最小揚程概化成基于高效區(qū)三個流量工況點優(yōu)化、最大揚程和最小揚程校核的多工況問題。優(yōu)化后在設(shè)計流量偏小流量時揚程有所減小,偏大流量時揚程稍有提高。設(shè)計工況點效率有所提高,大流量工況點效率提高了 7.4%,小流量工況點效率提高了 2.6%。除設(shè)計流量外兩工況效率均有所提升,效率曲線整體抬高,高效運行范圍更寬,優(yōu)化效果明顯。通過試驗驗證,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)通過優(yōu)化拉丁方分析方法對軸流泵葉輪80個樣本點進行多工況的流固耦合計算,然后對計算結(jié)果進行靈敏度分析,再對葉輪水力性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進行近似模型建立,最后針對近似模型采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。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)計變量影響較小。小流量下的最大應(yīng)力與各設(shè)計變量間均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,且各設(shè)計變量的二階主效應(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,降幅達到10.47%,而設(shè)計工況效率從93.91%提高到94.49%,增幅達到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)果與計算結(jié)果誤差均在0.5%以內(nèi),說明近似模型精度較高,分析結(jié)果可靠。
【學(xué)位單位】：揚州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV136.2
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符合說明
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 水泵設(shè)計方法
        1.2.2 水泵優(yōu)化方法
        1.2.3 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計研究進展
    1.3 擬解決的問題
    1.4 研究內(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 自動優(yōu)化設(shè)計平臺
        2.2.5 軟件集成
    2.3 葉片數(shù)對軸流泵性能的影響
        2.3.1 葉輪葉片數(shù)對軸流泵水力性能的影響
        2.3.2 導(dǎo)葉葉片數(shù)對軸流泵水力性能的影響
    2.4 輪毅比對軸流泵性能的影響
    2.5 小結(jié)
第三章 軸流泵葉輪的試驗設(shè)計方法及分析
    3.1 DOE方法簡介
    3.2 DOE分析方法
        3.2.1 參數(shù)試驗
        3.2.2 全因子設(shè)計
        3.2.3 部分因子設(shè)計
        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
        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
        3.3.1 算法的選擇
        3.3.2 計算模型
        3.3.3 參數(shù)建模及DOE優(yōu)化流程
    3.4 設(shè)計參數(shù)靈敏度分析
        3.4.1 DOE設(shè)計結(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 軸流泵葉輪自動優(yōu)化設(shè)計
    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
        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
    4.6 不同輪轂比的軸流泵優(yōu)化設(shè)計
    4.7 不同沖角的軸流泵優(yōu)化設(shè)計
    4.8 小結(jié)
第五章 軸流泵導(dǎo)葉體優(yōu)化設(shè)計
    5.1 導(dǎo)葉主要設(shè)計參數(shù)對裝置水力特性的影響
        5.1.1 導(dǎo)葉的設(shè)計
        5.1.2 葉柵稠密度對導(dǎo)葉設(shè)計的效果評價
        5.1.3 出口角對導(dǎo)葉設(shè)計的效果評價
    5.2 導(dǎo)葉體的自動優(yōu)化設(shè)計
        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 軸流泵多工況自動優(yōu)化設(shè)計
    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
        6.4.1 多工況計算模型
        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
    7.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)基礎(chǔ)
    7.2 耦合場分析的實現(xiàn)方法
    7.3 流固耦合計算分析
        7.3.1 參數(shù)模型
        7.3.2 網(wǎng)格及荷載
        7.3.3 實驗設(shè)計
        7.3.4 計算結(jié)果及分析
    7.4 計算結(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
        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 軸流泵模型試驗研究
    8.1 模型泵樣機與安裝
    8.2 模型試驗測試內(nèi)容
    8.3 模型試驗系統(tǒng)及測試方法
        8.3.1 試驗系統(tǒng)
        8.3.2 測試方法
    8.4 模型試驗結(jié)果
        8.4.1 ZM55模型試驗結(jié)果
        8.4.2 ZM63模型試驗結(jié)果
    8.5 與國內(nèi)外同類模型泵比較
    8.6 數(shù)值模擬與模型試驗對比
    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
    9.2 展望
參考文獻
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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