CN105201901B - 基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法 - Google Patents

基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合计算的离心泵水力及结构设计方法，包括以下步骤：根据离心泵设计工况的性能参数，对叶轮几何参数进行初始计算；采用正交试验设计和拉丁超立方试验设计方法对叶轮进行多方案设计，并对叶轮水体计算域进行快速造型、对叶轮结构域进行三维造型、对离心泵叶轮进行流固耦合计算求解，得到离心泵水力性能和结构应力分布。建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与最主要几何参数建立二次响应面模型，并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。本发明提高了离心泵叶轮设计的准确性，同时也适用于混流泵和轴流泵叶轮的设计中，为旋转机械的高效可靠设计提供技术支持。

Description

基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法
技术领域
本发明涉及到旋转机械水力及结构设计领域，尤其涉及一种基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法。
背景技术
离心泵广泛应用于农业灌溉、石化运输、水利发电等领域，尤其是应用于输送高压流体介质的核电站、海水淡化等特殊行业中。在实际运行过程中，由于外界干扰、液体不稳动流动，泵不可避免地产生振动，进而影响泵的运行寿命及运行安全。在离心泵内部流动研究内容之一是流体和结构之间存在流固耦合作用现象，即流体的运动使得叶轮结构产生一定的变形，进而影响叶轮流道形状，影响流体的流动。因此，有必要地开展结合流动耦合作用的离心泵叶轮设计方法研究。
目前在离心泵叶轮水力及结构设计过程中，主要是采用半理论半经验相结合地对叶轮的水力几何参数和结构参数进行计算，并对结构的机械强度进行校核，往往只有经验丰富的泵设计者才能选择合适的计算公式与相应的系数，最终实现产品的投入生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流固耦合计算的离心泵叶轮及结构设计方法，得到最佳组合的水力几何参数和结构参数，从而达到设计工况高效可靠安全的设计要求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数进行初始计算；
步骤二：对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案采用流固耦合计算得到泵扬程、效率和叶轮最大应力值，分析水力几何参数和结构几何参数对水力性能和结构性能影响程度，得到影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数；
步骤三，根据步骤二得到的影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数，采用拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固耦合计算各个方案的泵扬程、效率和叶轮最大应力值；
步骤四：建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬程不小于设计扬程：
式中a0，aii和aij均匀系数，由最小二乘法求得，xi和xj为步骤二中较主要的叶轮几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数；
并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。
步骤五：根据最优叶轮几何参数进行三维造型，并进行流固耦合计算，看能否达到设计要求，若达到设计要求，可进行试验验证，若没有达到，重复步骤二至步骤四。
上述方案中，步骤一中所述水力几何参数包括叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2，叶片出口宽度b2，叶片厚度s1，叶片包角所述结构几何参数包括叶轮轮毂直径Dh，叶轮前口环直径D3，叶轮后口环直径D4，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3。
上述方案中，步骤二中所述影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数包括叶轮出口直径D2，叶片厚度s1，叶片包角叶轮轮毂直径Dh，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3。
上述方案中，步骤二中的所述流固耦合计算方法主要是用PCAD软件对叶轮水体计算域进行快速造型，利用Creo Parametric软件对叶轮结构域进行三维造型，利用CFX软件对离心泵叶轮进行流固耦合计算求解，得到离心泵水力性能和结构应力分布。
上述方案中，所述流固耦合计算方法可以选择单向或者双向进行计算。
本发明的有益效果：(1)采用试验设计方法对离心泵叶轮进行多方案设计，以计算扬程为约束目标，建立泵效率与叶轮最大应力值和叶轮主要几何参数之间的二次响应面模型；采用多目标遗传算法对二次响应面数学模型进行极值寻优，最终得到满足设计要求的叶轮几何参数，提高了离心泵叶轮设计的准确性，并能对叶轮的实际重量提供一定的参考价值。(2)根据基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，同时也适用于混流泵和轴流泵叶轮的设计中，为旋转机械的高效可靠设计提供技术支持。
附图说明
图1为基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法的流程图。
图2为叶轮零件图。
图3为叶轮叶片示意图。
图中：1.叶轮轮毂直径Dh，2.叶轮进口直径Dj，3.叶轮前口环直径D3，4.前盖板厚度s2，5.叶片出口宽度b2，6.后盖板厚度s3，7.叶轮出口直径D2，8.叶轮后口环直径D4，9.叶片厚度s1，10叶片包角
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，采用正交试验设计方法和最优拉丁超立方试验设计方法对叶轮进行多方案设计，采用二次响应面模型对优化目标和叶轮几何参数进行寻优，从而得到满足高效可靠性能的最优叶轮几何参数，提高了离心泵叶轮设计的准确性。
根据图1提供的设计流程，依据泵叶轮经验设计公式计算出叶轮水力几何参数和结构几何参数，具体位置如图2和图3所示。采用正交试验设计方法对叶轮几何参数进行多方案设计，采用三维建模、网格划分和数值模拟得到各个方案泵扬程、效率和叶轮最大应力值。采用极差分方法得到影响泵效率和叶轮最大应力值的影响程度，选取影响泵效率和叶轮最大应力值的主要几何参数，采用最优拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，同样采用三维建模、网格划分和数值模拟得到各个方案泵效率和叶轮最大应力值。采用二次响应面模型建立泵效率和叶轮最大应力值与叶轮主要几何参数之间的数学模型。运用多目标优化算法对泵效率和叶轮最大应力值进行极值寻优。最终得到满足高效可靠的最优匹配几何参数。再对最优匹配几何参数对叶轮进行重新三维造型、网格划分和数值计算，如果达到性能要求，则优化结束，如果达不到性能要求，否则返回到对叶轮几何参数重新进行多方案设计。
下面以本发明提供的基于单向流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，列举两个具体实施例，选定具体设计参数，对本发明作进一步的说明。
实施例1
步骤一：根据高压增压离心泵设计工况的性能参数，对叶轮几何参数(包括水力几何参数和结构几何参数)进行初始计算。
本实施例中设定离心泵的流量Q＝330m3/h，扬程H＝48m，转速n＝2900r/min，根据《现代泵理论与设计》(关醒凡.《现代泵理论与设计[M].中国宇航出版社,2011)对离心泵进行了初始设计，并计算得到叶轮和导叶的初始几何参数，分别为：叶轮进口直径Dj＝135mm，叶轮出口直径D2＝225mm，叶片出口宽度b2＝33mm，叶片厚度s1＝6mm，叶片包角叶轮轮毂直径Dh＝54mm，叶轮口环直径D3＝158mm，叶轮后口环直径D4＝80mm，前盖板厚度s2＝9mm，后盖板厚度s3＝7mm。采用数值模拟得到离心泵的扬程H＝50.5m，效率η＝80.3％，叶轮最大应力σ＝29.6MPa。
步骤二：对离心泵叶轮的主要水力几何参数(叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2，叶片出口宽度b2，叶片厚度s1，叶片包角)和结构几何参数(叶轮轮毂直径Dh，叶轮口环直径D3，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3)采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案采用双向流固耦合计算得到泵扬程、效率和叶轮最大应力值，分析主要水力几何参数和结构几何参数对效率和叶轮最大应力的影响程度，得到影响离心泵效率和叶轮最大应力的较重要的水力几何参数(叶轮出口直径D2，叶片厚度s1，叶片包角)和结构几何参数(叶轮轮毂直径Dh，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3)。
步骤三，根据步骤二中得到的较主要的叶轮几何参数，采用最优拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固耦合计算各个方案的泵扬程、效率和叶轮最大应力值。
步骤四：建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与最主要几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬程不小于设计扬程。
式中a0，aii和aij均匀系数，由最小二乘法求得，xi和xj为步骤二中较主要的叶轮几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数。
采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。分别为：叶轮进口直径Dj＝135mm，叶轮出口直径D2＝221mm，叶片出口宽度b2＝33mm，叶片厚度s1＝5.3mm，叶片包角叶轮轮毂直径Dh＝58.7mm，叶轮口环直径D3＝158mm，叶轮后口环直径D4＝80mm，前盖板厚度s2＝6.5mm，后盖板厚度s3＝8.5mm。通过优化得到离心泵的扬程H＝48.7m，效率η＝83.1％，叶轮最大应力σ＝27.3MPa。
步骤五：根据最优叶轮几何参数进行三维造型，并进行双向流固耦合计算，得到离心泵的扬程H＝49.2m，效率η＝82.9％，叶轮最大应力σ＝26.8MPa，满足设计要求，设计结束。
实施例2
步骤一：根据核电离心泵设计工况的性能参数，对叶轮几何参数(包括水力几何参数和结构几何参数)进行初始计算。
本实施例中流量Q＝910m3/h，扬程H＝77m，转速n＝1490r/min，根据《现代泵理论与设计》(关醒凡.《现代泵理论与设计[M].中国宇航出版社,2011)对离心泵进行了初始设计，并计算得到叶轮和导叶的初始几何参数，分别为：叶轮进口直径Dj＝270mm，叶轮出口直径D2＝515mm，叶片出口宽度b2＝49mm，叶片厚度s1＝8mm，叶片包角叶轮轮毂直径Dh＝145mm，叶轮口环直径D3＝340mm，叶轮后口环直径D4＝340mm，前盖板厚度s2＝10mm，后盖板厚度s3＝10mm。采用数值模拟得到离心泵的扬程H＝79m，效率η＝72.3％，叶轮最大应力σ＝51.8MPa。
步骤二：对离心泵叶轮的主要水力几何参数(叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2，叶片出口宽度b2，叶片厚度s1，叶片包角)和结构几何参数(叶轮轮毂直径Dh，叶轮口环直径D3，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3)采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案采用双向流固耦合计算得到泵扬程、效率和叶轮最大应力值，分析主要水力几何参数和结构几何参数对效率和叶轮最大应力的影响程度，得到影响离心泵效率和叶轮最大应力的较重要的水力几何参数(叶轮出口直径D2，叶片厚度s1，叶片包角)和结构几何参数(叶轮轮毂直径Dh，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3)。
步骤三，根据步骤二中得到的较主要的叶轮几何参数，采用最优拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固耦合计算各个方案的泵扬程、效率和叶轮最大应力值。
步骤四：建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与最主要几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬程不小于设计扬程。
式中a0，aii和aij均匀系数，由最小二乘法求得，xi和xj为步骤二中较主要的叶轮几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数。
采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。分别为：叶轮进口直径Dj＝270mm，叶轮出口直径D2＝510mm，叶片出口宽度b2＝49mm，叶片厚度s1＝7.5mm，叶片包角叶轮轮毂直径Dh＝141mm，叶轮口环直径D3＝340mm，叶轮后口环直径D4＝340mm，前盖板厚度s2＝8.7mm，后盖板厚度s3＝9.2mm。通过优化得到离心泵的扬程H＝78.2m，效率η＝78.2％，叶轮最大应力σ＝49.3MPa。
步骤五：根据最优叶轮几何参数进行三维造型，并进行双向流固耦合计算，得到离心泵的扬程H＝77.5m，效率η＝77.3％，叶轮最大应力σ＝49.6MPa，满足设计要求，设计结束。

Claims (5)

1.基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数进行初始计算；
步骤二：对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案采用流固耦合计算得到泵扬程、效率和叶轮最大应力值，分析水力几何参数和结构几何参数对水力性能和结构性能影响程度，得到影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数；
步骤三，根据步骤二得到的影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数，采用拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固耦合计算各个方案的泵扬程、效率和叶轮最大应力值；
步骤四：建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬程不小于设计扬程：
式中a0，aii和aij均匀系数，由最小二乘法求得，xi和xj为步骤二中较主要的叶轮几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数；
并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合;
步骤五：根据最优叶轮几何参数进行三维造型，并进行流固耦合计算，看能否达到设计要求，若达到设计要求，可进行试验验证，若没有达到，重复步骤二至步骤四。
2.根据权利要求1所述的基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，其特征在于，步骤一中所述水力几何参数包括叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2，叶片出口宽度b2，叶片厚度s1，叶片包角φ；所述结构几何参数包括叶轮轮毂直径Dh，叶轮前口环直径D3，叶轮后口环直径D4，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3。
3.根据权利要求1所述的基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，其特征在于，步骤二中所述影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数包括叶轮出口直径D2，叶片厚度s1，叶片包角φ，叶轮轮毂直径Dh，前盖板厚度s2，后盖板厚度s3。
4.根据权利要求1所述的基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，其特征在于，步骤二中的所述流固耦合计算方法主要是用PCAD软件对叶轮水体计算域进行快速造型，利用Creo Parametric软 件对叶轮结构域进行三维造型，利用CFX软件对离心泵叶轮进行流固耦合计算求解，得到离心泵水力性能和结构应力分布。
5.根据权利要求4所述的基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，其特征在于，所述流固耦合计算方法可以选择单向或者双向进行计算。
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