《高比轉速混流泵的最佳化設計理論研究》是依託清華大學，由曹樹良擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高比轉速混流泵的最佳化設計理論研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：曹樹良
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
泵是耗能大戶，提高泵的運行效率具有重要的節能意義。本課題旨在深入研究混流泵內部流動機理和傳統設計方法的基礎上，提出全新的高比轉速混流泵葉輪三元設計理論與設計方法，在此基礎上建立混流泵葉輪三元設計平台；通過數值模擬與試驗研究深入探索各類參數（如速度矩沿流線分布規律、葉輪和葉片幾何參數等）對於葉輪水力性能的影響，尋求各類參數與葉輪性能參數之間的回響關係，據此建立混流泵葉輪性能預估平台；基於以上兩個平台，以葉輪效率為最佳化目標、空化性能和穩定性為限定性條件，以有關重要參數（如速度矩沿流線分布規律、葉片進出口邊位置參數、軸面流道幾何參數等）為最佳化變數，採用全局尋優的最佳化算法，最終建立混流泵葉輪最佳化設計平台。基於上述三個平台，形成集三元理論設計、性能預估及最佳化為一體的高比轉速混流泵葉輪全自動最佳化設計體系。力求通過該體系的建立，推動我國混流泵的研究和設計水平上一個新的台階。
結題摘要
本課題緊緊圍繞申請書提出的混流泵設計、性能預估和最佳化算法三個方面內容開展研究工作，經過4年的努力，初步建立了一個集三元理論設計、性能預估及最佳化為一體的高比轉速混流泵葉輪最佳化設計體系。取得的成果主要有： 1、提出了混流泵葉輪設計的正反問題疊代法，並基於這一方法建立了混流泵葉輪三元設計平台。該平台實現了設計過程中正、反問題的相互反饋，正問題為反問題提供了軸面流場信息，反問題為正問題提供了三維葉輪模型，流場信息的變化通過反問題反饋為葉片形狀的變化，葉片形狀的變化通過正問題反饋為流場分布的變化。這一反饋機制與傳統的設計理論完全不同：① 反問題設計中軸面速度的計算同時滿足流體運動的動量方程與連續方程，更加符合實際的空間流動，克服了傳統設計計算方法中流場僅滿足連續方程的缺陷；② 反問題設計中軸面速度的計算充分考慮了葉片形狀與厚度的影響，克服了傳統設計計算方法中軸面速度的計算忽略葉片形狀與厚度影響的缺陷。因此，本項目提出的葉輪設計正反問題疊代法是一種理論上更加完善的設計方法。在反問題設計中，還提出了可控載荷葉片繪型方法；保角變換加厚和葉片頭、尾部的修圓方法。 2、建立了以準三元流場計算為基礎、通過損失建模預測性能的混流泵葉輪性能預估平台。通過理論分析推導與簡化內部流動，依照各類損失發生的位置與機理，分別在混流泵流道進口段、葉輪區和出口段構建了相應的損失模型。通過引入以S1、S2流面疊代為基礎的準三元計算方法，實現了流場的快捷、準確計算，有效地提升了損失模型預測的精度，為過流部件的最佳化設計提供了一個重要的工具和數值試驗平台。 3、基於三元設計平台與性能預估平台，通過改進遺傳算法，建立了混流泵葉輪最佳化設計平台。引入保存最優個體和小生境兩個策略改進了傳統的遺傳算法，在深入分析討論影響葉輪性能關鍵參數的基礎上，選取了四個直接影響葉片形狀及位置的參數作為最佳化參數，以葉輪效率最高為最佳化目標，實現了混流泵葉輪的單目標、多參數最佳化。試驗結果表明，該平台最佳化所得混流泵的最高效率為87.2%，高效運行範圍寬廣，空化性能良好，且運行穩定。 這些成果對豐富葉片式流體機械的理論，推動我國混流泵的研究、設計水平上一個新的台階具有重要的意義，同時也有力的增強了我國在該領域的國際競爭能力。
