CN110909422B - 一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离心泵水力优化领域。目的是提供一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，该方法能够在不改变离心泵最高效率点的前提下，充分考虑离心泵叶轮的能量损失和压力脉动的因素，准确预测离心泵叶轮的高效工况区，并据此对离心泵叶轮的设计参数进行优化，以扩大离心泵的使用范围，提高离心泵的运行稳定性，节约资源，更加经济。技术方案是：一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，按照如下步骤进行：1)建模和网格划分；2)CFX仿真验证；3)涡结构提取；4)能量损失分析；5)压力脉动分析；6)高效工况区预测；7)优化离心泵叶轮的设计参数。
Description
技术领域
本发明涉及离心泵水力优化领域，具体涉及一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法。
背景技术
离心泵是泵行业中最为广泛应用的泵型，离心泵内流体的粘性作用以及离心泵特殊的几何结构与流体绕流叶片、高速旋转等多种因素的作用，不可避免地形成各种不稳定流动，主要包括：脱流、回流、二次流、尾流以及各式各样的涡流等，这些非定常因素共同存在且作用明显，会造成离心泵的能量损失，影响离心泵的运行。另外，由于水力波动引起离心泵振动主要是叶轮与蜗壳动静干涉处的压力脉动和叶轮内部的压力脉动，前者会加强泵体的振动，后者会引起轴的周期性振动，因此要提高离心泵在运行过程中的稳定性，也需要对压力脉动这一影响因素进行考虑。
现在绝大部分离心泵叶轮的优化设计是针对于设计工况下的，只有在特定的流量条件(即设计工况)下，离心泵才能够保持较高的运行效率。但是实际应用与实验结果表明，离心泵叶轮的运行存在一个高效工况区，在此区间内部，即使离心泵的流量在一定范围内发生改变，离心泵的运行效率仍然较为稳定且高效。因此，需要提出一种以离心泵叶轮的高效工况区为优化标准的方法，在不改变离心泵最高效率点的前提下，对离心泵叶轮的设计参数进行优化，以提高离心泵叶轮高效工况区的范围，从而扩大离心泵的使用范围，避免离心泵只有在特定流量条件下运行才能保持较高运行效率的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，该方法能够在不改变离心泵最高效率点的前提下，充分考虑离心泵叶轮的能量损失和压力脉动的因素，准确预测离心泵叶轮的高效工况区，并据此对离心泵叶轮的设计参数进行优化，以扩大离心泵的使用范围，提高离心泵的运行稳定性，节约资源，更加经济。
本发明提供的技术方案是：
一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，按照如下步骤进行：
1)建模和网格划分：根据已知叶轮的基本几何参数，使用三维造型软件对离心泵叶轮的计算域进行造型；利用ANSYS ICEM软件对三维模型进行网格划分；所述基本几何参数为：离心泵叶轮的进口宽度b1、出口宽度b2、叶片进口角度β1、叶片出口角度β2、叶片数Z；
2)CFX仿真验证：将网格导入CFX软件中，进行离心泵叶轮在全流量工况下的非定常数值模拟计算，并获得离心泵的性能曲线；根据性能曲线对离心泵的物理性能进行验证，若不满足设计要求，则重复步骤1)对三维模型重新进行网格划分，直至得到满足设计要求的网格划分；
3)涡结构提取：以步骤2)得到的网格为基础，采用ANSYS CFX 15.0对步骤2中得到的网格计算模型设置边界条件，进行数值计算，计算结束后，通过ANSYS CFX 15.0中的自带基于Q提取方法对计算域中进行涡结构提取，可直接得到涡核表面积S随流量变化的数据；
4)能量损失分析：由于机械能的全部耗散与拟涡能Ω直接相关，以步骤3)得到的结果为基础，采用拟涡能(enstrophy)Ω对内流场中的能量损失进行定量分析，拟涡能的计算表达式(1.1)所示：
式中,
为相对速度对y的偏导数，
为绝对速度对z的偏导数，
为圆周速度对z的偏导数，
为相对速度对x的偏导数，
为绝对速度对x的偏导数，
为圆周速度对y的偏导数,以上各数值均可在CFX 15.0后处理中直接调用；
5)压力脉动分析：以步骤2)得到的模型网格为基础，利用CFX软件进行全流量工况的非定常数数值模拟，获得不同流量下原始叶轮出口位置的平均压力脉动的变化；
6)高效工况区预测：将步骤4)、步骤5)中得到的平均能量损失、平均压力脉动和流量分别进行无量纲化处理，导入到数据处理软件Origin中进行绘图；在无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线的共同约束下，预测离心泵叶轮的高效工况区范围；
7)优化离心泵叶轮的设计参数：根据正交优化方法，对原始离心泵叶轮的进口宽度b1、出口宽度b2、叶片进口角度β1、叶片出口角度β2、叶片数Z进行优化设计，其它叶轮参数保持不变；以步骤4)中确定的主导能量损失的不稳定结构为基础，即可得到一组性能较优的参数组合；
离心泵叶轮的设计参数有如下约束：
20°<β1<30°
30°<β2<40°
4<Z<8
式中，ns为原设计泵的比转速；h为原设计泵的设计扬程；Km1为叶轮进口轴面系数，取0.13；g为当地重力加速度；Q为流量。
所述步骤6)中，对能量损失进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均能量损失的数值除以叶轮的圆周速度的平方的一半，如式(1.2)所示；对压力脉动进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均压力脉动的数值除以该流量下对应压力脉动的最小值，如式(1.3)所示；对流量进行无量纲化处理，是采用每一个流量的数值除以设计流量，如式(1.4)所示。
式中：Ω*、P*、Q*分别对应拟涡能、压力脉动、流量的无量纲参数，
分别为不同流量下对应的平均拟涡能、平均压力脉动；Qd为原始叶轮的设计流量；ω为叶轮的圆周速度；pmin为不同流量下对应压力脉动的最小值。
所述步骤6)中，离心泵高效工况区范围的测量方法为，对经过无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线作纵坐标为1.05～1.15的水平线，压力脉动-流量曲线与水平线交于两流量点；能量损失-流量曲线与水平线交于两流量点；四个流量点对应的流量坐标中，取两个偏小的流量坐标的中间流量作为高效工况区下限；取两个偏大流量坐标的中间流量作为高效工况区上限；高效工况区上下限的跨度即为高效工况区的范围。
所述水平线的纵坐标为1.1。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于Q方法和拟涡能理论得到能量损失-流量的变化曲线，并结合压力脉动-流量的变化曲线，来预测离心泵叶轮的高效工况区范围，充分考虑了离心泵叶轮的能量损失和压力脉动的因素，使得离心泵叶轮高效工况区的预测结果更加准确，保证离心泵叶轮的设计参数优化的合理性和准确性。
2、本发明采用拟涡能Ω来实现不稳定流动结构的定量表达，可根据流场瞬态结果，获得拟涡能分布；通过分析不同流量下泵内平均拟涡能Ω的变化，从而得出离心泵的拟涡能Ω-流量的变化曲线。
3、本发明对离心泵叶轮进行参数优化时，可主要对步骤4)中确定的主导能量损失的不稳定结构因素进行优化，从而提高设计参数优化的针对性，减少设计参数的验证次数，减少工作量。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中离心泵叶轮的计算模型。
图3为实施例中优化前叶轮内的涡核表面积随流量变化。
图4为实施例中优化前叶轮内的拟涡能随流量变化。
图5为实施例中压力脉动系数P*随流量变化。
图6为实施例中优化前叶轮高效运行范围。
图7为实施例中优化后叶轮高效运行范围。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
现有的离心泵叶轮的优化设计通常是在特定的流量条件下进行的，其优化结果是，当离心泵在该特定条件下运行时，离心泵能够保持较高的运行效率，而如果改变离心泵叶轮的转速和流量后，离心泵的运行效率便无法得到保证。但是实际应用与实验结果表明，离心泵叶轮的运行存在一个高效工况区，当离心泵在此高效工况区内运行时，即使离心泵的流量发生了改变，离心泵叶轮的运行效率也仍然较为稳定且高效。本发明的目的就是提供一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，以便准确预测离心泵叶轮的高效工况区，然后对离心泵叶轮的设计参数进行优化，提高离心泵叶轮的高效工况区范围，进而扩大离心泵的使用范围，使得离心泵在保证工作效率的前提下，可以适应尽可能大范围的工况条件。
如图1所示的离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，按照如下步骤进行：
1)建模和网格划分：根据基本参数，使用三维造型软件对离心泵叶轮对离心泵叶轮的计算域进行造型(如图2所示)；利用ANSYS ICEM软件对三维模型进行网格划分。
2)CFX仿真验证：将网格导入CFX软件中，进行离心泵叶轮在全流量工况下的非定常数值模拟，并获得原始叶轮的性能曲线；根据性能曲线对离心泵的物理性能进行验证，若不满足设计要求，则重复步骤1)对三维模型重新进行网格划分，直至得到满足设计要求的网格划分。
3)涡结构提取：以步骤2)得到的网格为基础，采用ANSYS CFX 15.0对步骤2中得到的网格计算模型设置边界条件，进行数值计算，计算结束后，通过ANSYS CFX 15.0中的自带基于Q提取方法对计算域中进行涡结构提取，可直接得到涡核表面积S随流量变化的数据；
4)能量损失分析：由于机械能的全部耗散与拟涡能Ω直接相关，以步骤3)得到的结果为基础，采用拟涡能(enstrophy)Ω对内流场中的能量损失进行定量分析，拟涡能的计算表达式(1.1)所示：
式中,
为相对速度对y的偏导数，
为绝对速度对z的偏导数，
为圆周速度对z的偏导数，
为相对速度对x的偏导数，
为绝对速度对x的偏导数，
为圆周速度对y的偏导数,以上各数值均可在CFX 15.0后处理中直接调用。
5)压力脉动分析：以步骤2)得到的模型网格为基础，利用CFX软件进行全流量工况的非定常数数值模拟，获得不同流量下原始叶轮出口位置的平均压力脉动的变化；
所述步骤6)中，对能量损失进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均能量损失的数值除以叶轮的圆周速度的平方的一半，如式(1.2)所示；对压力脉动进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均压力脉动的数值除以该流量下对应压力脉动的最小值，如式(1.3)所示；对流量进行无量纲化处理，是采用每一个流量的数值除以设计流量，如式(1.4)所示。
式中：Ω*、P*、Q*分别对应拟涡能、压力脉动、流量的无量纲参数，
分别为不同流量下对应的平均拟涡能、平均压力脉动；Qd为原始叶轮的设计流量。
在经过无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线的共同约束下，预测离心泵叶轮的高效工况区范围。其中，高效工况区的测量方法为，对经过无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线作纵坐标为1.05～1.15的水平线(水平线的纵坐标优选1.1)，压力脉动-流量曲线与水平线交于两流量点，其对应的流量坐标为Q1和Q2；能量损失-流量曲线与水平线交于两流量点,其对应的流量坐标为Q1’和Q2’；四个流量点对应的流量坐标中，取两个偏小的流量坐标的中间流量作为高效工况区下限Qmin，取两个偏大流量坐标的中间流量作为高效工况区上限Qmax(即Q1、Q2、Q1’、Q2’分别为四个流量点对应的流量坐标；Qmin＝(Q1+Q1’)/2；Qmin＝(Q1+Q1’)/2)。高效工况区上下限的跨度(Qmax-Qmin)即为高效工况区的范围；高效工况区上下限跨度越大，则代表高效工况区范围越大，其所对应的离心泵叶轮的设计参数也越接近于最优设计参数。
7)优化离心泵叶轮的设计参数：根据正交优化方法，对原始离心泵叶轮的进出口宽度b1和b2，叶片进出口角度β1，β2，叶片数Z进行优化设计，其它叶轮参数保持不变。以步骤4)中确定的主导能量损失的不稳定结构为基础，得到性能较优的参数组合；
离心泵叶轮的设计参数有如下约束：
20°<β1<30°
30°<β2<40°
4<Z<8
式中，ns为原设计泵的比转速；，h为原设计泵的设计扬程；Km1为叶轮进口轴面系数，优选地，取0.13，g为当地重力加速度。
该步骤中对离心泵叶轮进行设计参数优化时，可主要对步骤4)中确定的主导能量损失的不稳定结构因素进行优化，以提高设计参数优化的针对性，减少设计参数的验证次数和工作量。
实施例：
原始离心泵叶轮设计参数为基本参数，如表1所示。使用三维造型软件Solidworks对离心泵叶轮的计算域进行造型并在ANSYS ICEM软件完成三维模型进行网格划分，如图2所示。
表1原始叶轮基本几何参数及性能参数
表2优化前后叶轮参数对比
表3正交优化组合
表4优化前后高效工况区数据对比
将计算域导入CFX中完成不同流量下数值模拟试验，并按具体实施方式中的步骤3、步骤4中采取的方法，在CFD-POST中得到不同流量下，叶轮内的涡核表面积及拟涡能Ω随流量变化云图，如图3、图4所示，从图3中可以看出，在最优工况下Q＝45m3/h时，涡核表面积S最小，S＝85416s-2，在小流量Q＝45m3/h及大流量Q＝64m3/h时，S分别为186276s-2及103244s-2。从图4中可以看出，在同一标尺评判准则下，在最优工况下Q＝45m3/h时拟涡能值分布更为均匀且大拟涡能Ω值区域(黑色部分)面积较小，说明在设计工况下，叶轮内部流动均匀，能量损失小；在小流量Q＝45m3/h及大流量Q＝64m3/h情况下，叶片出口压力面处存在大拟涡能Ω值区域(黑色部分)面积较大，且流道内的存在大面积大拟涡能Ω值区域，显示出在非设计工况下叶轮内存在较大的能量损失。
对计算域进行非定常计算，同时监测叶轮出口位置的压力变化情况，对不同流量下的压力脉动数值按(1.3)进行无量纲处理后，得到不同流量下原始叶轮出口位置的平均压力脉动的变化情况如图5所示，从图中可以看出，在不同工况下，叶轮的压力脉动主频为一倍叶频fBPF，主频值为290Hz，但在设计工况下，其主频的压力脉动幅值最低，非设计工况下，压力脉动幅值约为设计工况压力脉动幅值的2.5倍。
按式(1.4)对不同流量对应的叶轮拟涡能进行无量纲处理，得到不同流量下的Ω*无量纲参数，绘制出优化前叶轮高效运行范围图(见图6)。图中，水平线的纵坐标选取1.1，其中，能量损失-流量曲线与水平线相交于两个流量点，其对应的流量坐标为Q1和Q2，压力脉动-流量曲线与水平线相交于两个流量点，其对应的流量坐标为Q1’和Q2’，总计四个流量点，然后取两个偏小的流量坐标的中间流量作为高效工况区下限Qmin，即Qmin＝(Q1+Q1’)/2，取两个偏大流量坐标的中间流量作为高效工况区上限Qmax，Qmax＝(Q2+Q2’)/2，根据图6可知，原始叶轮的高效区为[0.73Q，1.08Q]。
根据正交优化方法，对原始离心泵叶轮的进出口宽度b1和b2，叶片进出口角度β1，β2，叶片数Z进行优化设计，其它叶轮参数保持不变，每个优化因素采用四个水平，
正交组合如表3所示。
离心泵叶轮按表3组合进行建模及数值模拟后，选取第九组组合作为叶轮参数最优参数组合，优化后叶轮高效运行范围如图7所示。
将图6和图7的高效工况区范围进行如下对比，如表4所示：
由表格4可看出，经过优化后，最优设计参数的叶轮高效工况区上下限跨度(1.10-0.69)明显大于基本参数的叶轮高效工况区上下限跨度(1.08-0.7)，扩大了离心泵的使用范围，提高了离心泵的运行稳定性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，按照如下步骤进行：
1)建模和网格划分：根据已知叶轮的基本几何参数，使用三维造型软件对离心泵叶轮的计算域进行造型；利用ANSYS ICEM软件对三维模型进行网格划分；所述基本几何参数为：离心泵叶轮的进口宽度b1、出口宽度b2、叶片进口角度β1、叶片出口角度β2、叶片数Z；
2)CFX仿真验证：将网格导入CFX软件中，进行离心泵叶轮在全流量工况下的非定常数值模拟计算，并获得离心泵的性能曲线；根据性能曲线对离心泵的物理性能进行验证，若不满足设计要求，则重复步骤1)对三维模型重新进行网格划分，直至得到满足设计要求的网格划分；
3)涡结构提取：以步骤2)得到的网格为基础，采用ANSYS CFX 15.0对步骤2中得到的网格计算模型设置边界条件，进行数值计算，计算结束后，通过ANSYS CFX 15.0中的自带基于Q提取方法对计算域中进行涡结构提取，可直接得到涡核表面积S随流量变化的数据；
4)能量损失分析：由于机械能的全部耗散与拟涡能Ω直接相关，以步骤3)得到的结果为基础，采用拟涡能Ω对内流场中的能量损失进行定量分析，拟涡能的计算表达式(1.1)所示：
式中
为相对速度对y的偏导数，
为绝对速度对z的偏导数，
为圆周速度对z的偏导数，
为相对速度对x的偏导数，
为绝对速度对x的偏导数，
为圆周速度对y的偏导数,以上各数值均可在CFX 15.0后处理中直接调用；
5)压力脉动分析：以步骤2)得到的模型网格为基础，利用CFX软件进行全流量工况的非定常数数值模拟，获得不同流量下原始叶轮出口位置的平均压力脉动的变化；
6)高效工况区预测：将步骤4)、步骤5)中得到的平均能量损失、平均压力脉动和流量分别进行无量纲化处理，导入到数据处理软件Origin中进行绘图；在无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线的共同约束下，预测离心泵叶轮的高效工况区范围；
7)优化离心泵叶轮的设计参数：根据正交优化方法，对原始离心泵叶轮的进口宽度b1、出口宽度b2、叶片进口角度β1、叶片出口角度β2、叶片数Z进行优化设计，其它叶轮参数保持不变；以步骤4)中确定的主导能量损失的不稳定结构为基础，即可得到一组性能较优的参数组合；
离心泵叶轮的设计参数有如下约束：
20°＜β1＜30°
30°＜β2＜40°
4＜Z＜8
式中，ns为原设计泵的比转速；h为原设计泵的设计扬程；Km1为叶轮进口轴面系数，取0.13；g为当地重力加速度；Q为流量。
2.根据权利要求1所述的离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，其特征在于：所述步骤6)中，对能量损失进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均能量损失的数值除以叶轮的圆周速度的平方的一半，如式(1.2)所示；对压力脉动进行无量纲化处理，是采用每个流量对应的平均压力脉动的数值除以该流量下对应压力脉动的最小值，如式(1.3)所示；对流量进行无量纲化处理，是采用每一个流量的数值除以设计流量，如式(1.4)所示；
式中：Ω*、P*、Q*分别对应拟涡能、压力脉动、流量的无量纲参数，
分别为不同流量下对应的平均拟涡能、平均压力脉动；Qd为原始叶轮的设计流量；ω为叶轮的圆周速度；Pmin为不同流量下对应压力脉动的最小值。
3.根据权利要求2所述的离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，其特征在于：所述步骤6)中，离心泵高效工况区范围的测量方法为，对经过无量纲化处理的能量损失-流量曲线和压力脉动-流量曲线作纵坐标为1.05～1.15的水平线，压力脉动-流量曲线与水平线交于两流量点；能量损失-流量曲线与水平线交于两流量点；四个流量点对应的流量坐标中，取两个偏小的流量坐标的中间流量作为高效工况区下限；取两个偏大流量坐标的中间流量作为高效工况区上限；高效工况区上下限的跨度即为高效工况区的范围。
4.根据权利要求3所述的离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法，其特征在于：所述水平线的纵坐标为1.1。
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