离心泵叶片的参数化设计及其优化研究

【摘要】：近年来,随着流动计算技术的发展,泵内流动的模拟技术已经得到了较快的发展,已经不仅局限于单相、稳态流动的计算,对于固液、汽液两相流动及泵内流动的瞬态特性的研究已成为当前水力机械领域的热点,在该方面的研究也取得了相当多的成绩。但是对于水力机械叶轮的设计及其优化问题的研究进展缓慢,主要还是因为水力机械内部高度复杂的三维湍流流动,加上叶轮复杂的流道形状难以参数化定义和旋转坐标系等因素影响。本文的工作主要围绕实现离心泵叶轮的参数化优化设计进行。主要的工作及创造性成果如下： 1.提出了离心叶轮轴面的参数化设计方法,提出采用首、末控制点均三点共线的5控制点的4次Bezier曲线控制叶轮轴面形状。采用微分方程生成结构化网格方法进行叶轮轴面的离散,并进行正交迭代。为生成近似正交的网格,在叶轮轴面的边界上提出采用非线性分布函数控制轴面边界上的节点分布,使得叶轮轴面生成的网格尽可能正交。将近似正交网格线看作是叶轮轴面流线及过水断面生成线,进行叶轮轴面面积的检查。 2.提出仍采用首、末控制点三点共线的5控制点的4次Bezier曲线来控制叶轮轴面前、后盖板流线的平面投影。这样就由有限个控制点确定了叶轮叶片的边界形状,实现了叶片边界的参数化控制。 3.提出采用偏微分方程曲面造型方法构建叶片的骨面,这样将离心泵叶片的设计问题转化成偏微分方程的边值问题,数值求解微分方程的边值问题即可实现离心泵叶片功能曲面的构建,这样只需要控制偏微分方程的边界条件及微分方程中的参数,即可达到控制叶片形状的目的,按照一定叶片加厚方式加厚叶片骨面即可得到叶片及叶轮的实体造型,实现离心泵叶片的参数化设计。 4.在实现离心泵叶片参数化设计的基础上提出采用基于试验设计的响应曲面方法对离心叶轮进行优化设计。通过对离心叶轮参数化控制的大量数值试验提出对离心叶轮进行了二因素二阶响应面分析,采用现代流动计算软件实现叶轮内流的流动数值计算,由数值试验代替模型试验,并对响应面模型进行了极值分析,得到了响应面模型上的极大值点,也即在二因素参数化控制条件下叶轮的最优设计。 5.考虑为了实现离心叶轮叶片的充分自由控制,提出增加叶片骨面各流线的相对位置关系(堆叠线)这一叶片形状控制参数。在三因素的情形下采用二阶、三阶响应面模型进行分析时,模型预测值与试验值均存在较大的误差,为此提出采用高阶偏微分方程超曲面数据建模方法,根据三因素组合试验设计的控制体边界面上的试验点的试验值,首先在边界面上进行样条曲面插值,得到微分方程在边界上的第一类边界条件,然后根据控制体中心节点的试验值进行反演计算控制体边界面上的第二类边界条件,这样在控制体上的各个试验点的试验值与超曲面模型预测值就完全一致。求解高阶微分方程得到三因素控制体上的超曲面数据模型,对超曲面模型的数据进行分析得到最优设计点的控制参数及其对应的最优设计离心泵叶轮。 6.最后还对优化设计结果进行分析,分析了最优设计叶轮内的流场分布规律,叶轮出口的射流-尾迹结构强度与泵能量损失间的关系,及最优设计叶轮叶片前、后盖板流线上的叶片安放角的分布规律。