CN116702359A - 脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法，包括对初始脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模并抽取三维内流道结构，获得全流道水体计算模型；基于水体计算模型进行计算域网格划分；确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，选用湍流计算模式开展数值计算；基于特定叶轮转速及流量等工况条件计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；基于多场耦合计算平台，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。本申请在保证脱硫循环泵其他性能前提下，提升了脱硫泵扬程和效率。
Description
技术领域
本申请涉及脱硫循环泵优化技术领域，尤其涉及一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法和装置。
背景技术
脱硫循环泵可适用于火电、炼铝和炼油等行业的脱硫系统输送石灰石或石膏浆液，其基本设计参数见表一。
表一
现有脱硫循环泵内部流动状态表现一般，流体涡流损失较高，整机能耗指标表现不佳，因此，目前亟需提供一种脱硫循环泵的提效优化方案。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法，解决了现有脱硫循环泵内部流动状态表现一般，流体涡流损失较高，整机能耗指标表现不佳的技术问题，结合多岛遗传算法等多目标智能优化算法，借助CFD数值仿真手段验证，以对脱硫循环泵关键部件结构型线进行优化，在保证脱硫循环泵其他性能前提下，提升了脱硫泵扬程和效率。
本申请的第二个目的在于提出一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置。
本申请的第三个目的在于提出一种计算机设备。
本申请的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法，包括：步骤S100：利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；步骤S200：基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；步骤S300：借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；步骤S400：基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；步骤S500：通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；步骤S600：基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
可选地，在本申请的一个实施例中，脱硫循环泵关键部件的特征参量包括：叶片工作面静压力、叶片吸力面静压力、流动场、脱硫循环泵外特性。
可选地，在本申请的一个实施例中，脱硫循环泵外特性包括脱硫循环泵扬程、工作效率。
可选地，在本申请的一个实施例中，脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸包括叶轮高压边直径、叶轮低压边直径、叶轮出口高度、叶片数目。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸，包括：
通过判断初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件过流面压力分布是否更加均匀、压力梯度是否降低、扬程及工作效率是否得到提升，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸。
可选地，在本申请的一个实施例中，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核，包括：
通过判断优化后的脱硫循环泵关键部件等效应力及变形有无增大、关键部件的结构强度是否可靠以及共振诱发可能性，得到校验结果。
可选地，在本申请的一个实施例中，步骤S100中用到的三维制图软件为Solidworks，步骤S200中用到的网格划分软件为ANSYS-ICEM，步骤S300中用到的流体动力学计算软件为ANSYS-CFX，步骤S600中用到的多场耦合计算平台为ANSYS Workbench。
为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置，包括：
建模模块，用于利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；
网格划分模块，用于基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；
数值计算模块，用于借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；
特征参量计算模块，用于基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；
对比模块，用于通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；
校核模块，用于基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
为达上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现上述施例所述的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法。
为了实现上述目的，本申请第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由处理器被执行时，能够执行一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法。
本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法、装置、计算机设备和非临时性计算机可读存储介质，解决了现有脱硫循环泵内部流动状态表现一般，流体涡流损失较高，整机能耗指标表现不佳的技术问题，结合多岛遗传算法等多目标智能优化算法，借助CFD数值仿真手段验证，以对脱硫循环泵关键部件结构型线进行优化，在保证脱硫循环泵其他性能前提下，提升了脱硫泵扬程和效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例一所提供的一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的流程示意图；
图2为本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的脱硫循环泵三维水体模型；
图3为本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的脱硫循环泵整体计算域；
图4为本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的网格整体划分示例图；
图5为本申请实施例的初始脱硫循环泵的不同工况下蜗壳内部静压分布示例图；
图6为本申请实施例的初始脱硫循环泵的不同工况下叶片工作面静压分布示例图；
图7为本申请实施例的初始脱硫循环泵的不同工况下叶片吸力面静压分布示例图；
图8为本申请实施例的初始脱硫循环泵的流面展开矢量图；
图9为本申请实施例的优化后的脱硫循环泵的不同工况下蜗壳内部静压分布示例图；
图10为本申请实施例的优化后的脱硫循环泵的不同工况下叶片工作面静压分布示例图；
图11为本申请实施例的优化后的脱硫循环泵的不同工况下叶片吸力面静压分布示例图；
图12为本申请实施例的优化后的脱硫循环泵的流面展开矢量图；
图13为本申请实施例的脱硫循环泵优化前后外特性对比示例图；
图14为本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的叶片有限元网格划分示例图；
图15为本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的叶片结构荷载和约束类型示例图；
图16为本申请实施例的原模型叶片等效应力示例图；
图17为本申请实施例的优化模型叶片等效应力示例图；
图18为本申请实施例的原模型叶片等效变形示例图；
图19为本申请实施例的优化模型叶片等效变形示例图；
图20为本申请实施例二所提供的一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法和装置。
图1为本申请实施例一所提供的一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法的流程示意图。
如图1所示，该脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法包括以下步骤：
步骤S100：利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；
步骤S200：基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；
步骤S300：借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；
步骤S400：基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；
步骤S500：通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；
步骤S600：基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法，通过步骤S100：利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；步骤S200：基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；步骤S300：借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；步骤S400：基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；步骤S500：通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；步骤S600：基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。由此，能够解决了现有脱硫循环泵内部流动状态表现一般，流体涡流损失较高，整机能耗指标表现不佳的技术问题，结合多岛遗传算法等多目标智能优化算法，借助CFD数值仿真手段验证，以对脱硫循环泵关键部件结构型线进行优化，在保证脱硫循环泵其他性能前提下，提升了脱硫泵扬程和效率。
进一步地，在本申请实施例中，脱硫循环泵关键部件的特征参量包括：叶片工作面静压力、叶片吸力面静压力、流动场、脱硫循环泵外特性。
进一步地，在本申请实施例中，脱硫循环泵外特性包括脱硫循环泵扬程、工作效率。
进一步地，在本申请实施例中，脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸包括叶轮高压边直径、叶轮低压边直径、叶轮出口高度、叶片数目。
进一步地，在本申请实施例中，通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸，包括：
通过判断初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件过流面压力分布是否更加均匀、压力梯度是否降低、扬程及工作效率是否得到提升，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸。
进一步地，在本申请实施例中，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核，包括：
通过判断优化后的脱硫循环泵关键部件等效应力及变形有无增大、关键部件的结构强度是否可靠以及共振诱发可能性，得到校验结果。
进一步地，在本申请实施例中，步骤S100中用到的三维制图软件为Solidworks，步骤S200中用到的网格划分软件为ANSYS-ICEM，步骤S300中用到的流体动力学计算软件为ANSYS-CFX，步骤S600中用到的多场耦合计算平台为ANSYS Workbench。
下面通过一个具体的实施例进行详细说明。
本申请实施例中，利用三维CAD制图软件Solidworks和二维设计图纸对脱硫循环泵直接进行零件建模和装配，随后对脱硫循环泵三维模型进行内流道抽取，最终得到所研究的脱硫循环泵全流道水体模型如图2所示，主要参数如表二所示。
| 参数名称 | 几何参数 |
| 叶轮高压边直径D2(mm) | 770 |
| 叶轮低压边直径D1(mm) | 700 |
| 叶轮出口高度(mm) | 190 |
| 叶片数Z | 5 |
表二
本申请实施例中，如图3所示，脱硫循环泵整体计算的计算域划分为两个主要部分分别是蜗壳和叶轮，首先利用三维建模软件构建水泵的过流通道，之后使用ANSYS-ICEM软件进行网格划分。
在网格划分方面，引水管计算域采用四面体非结构化网格，网格单元约为200万，叶轮计算域采用六面体结构化网格，网格数约为230万，网格的整体划分情况如图4所示。
本申请实施例中，应用计算流体软件ANSYS-CFX对脱硫循环泵进行模拟计算，叶轮进口采用质量流量进口条件，蜗壳出口采用压力出口条件。叶轮动域与蜗壳静域间的交界面(Interface)采用冻结转子进行模拟，其它边界如蜗壳、叶轮均采用无滑移壁面边界条件。湍流模型采用SST k-ω模型，求解控制参数选用High resolution。
CFD分析中着重分析了脱硫循环泵转速为490rpm各个流量工况，CFD数值计算中使用真机脱硫循环泵，计算参数详见表三。
表三
本申请实施例中，数值计算原理的流体动力学控制方程包括：
(1)连续性方程
其中，ui为流动速度(m/s),i＝1,2,3为哑指标，即重复指标；t为流动时间(s)；ρ为流体密度(kg/m3)；xi为空间坐标(m)。
脱硫循环泵内部水流常被视为不可压缩流体，即流体密度不随时间发生变化，因此其连续性方程简写表达为：
(2)动量守恒方程
其中：p为静压强(Pa)；Smi为动量方程广义源项，(N)；τij为应力张量(N/kg)，
脱硫循环泵内部水流常被视为不可压缩流体，即流体密度不随时间发生变化，因此其动量守恒方程简写表达为：
(3)能量守恒方程
其中：htot为总比焓(J)，表示为比焓和机械动能之和；h为比焓(J)，常简称焓；e为内能(J)；keff为有效热传导系数；T为温度，(K)；Sh为能量方程广义源项。
流体动力学控制方程属于非线性偏微分方程组，很难直接求解，需要将其进行离散化，本申请采用的求解器ANSYS CFX是基于有限体积法(Finite Volume Method，简称FVM)进行离散。
对于通用变量Φ，通过有限体积法对其表示的控制方程离散后得到：
其中：Γ为变量Φ对应的广义扩散系数；ρ为流体密度；ui为流体速度。
对上式在控制体上积分得：
利用Gauss-Green公式化简得：
建立离散方程过程，需要选择插值方法即离散格式，本申请为保证计算准确性，对于控制方程所有项离散均使用高阶格式。
自然界中流体分为层流、渐变流以及湍流，其中，湍流是自然界存在的最为常见流态。由于湍流流体内部复杂多样，理论分析无法得到完备解答，需要借助高性能计算机进行数值模拟分析。湍流数值模拟方法可以分为N-S方程和Lattice Boltzmann方程两大体系，相对而言，基于N-S方程数值方法发展较为成熟，被广泛应用于科学研究和工程实践。基于N-S方程数值方法又可分为直接模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺时均模拟(RANS)等几种数值模拟方法。
直接模拟是指直接对N-S方程进行求解时，不引入任何经验常数、人为假设和湍流模型而对湍流流动进行简化，从而获得最为准确的模拟结果。由于需要模拟各种尺度涡，对计算机性能、容量要求很高，因此，该方法并没有在工程实践中得到广泛应用。大涡模拟是指认为湍流运动中存在着尺度不一样的涡，大尺度涡是导致湍流运动的主要因素，小尺度涡通过线性作用影响大涡运动。在对上述湍流运动分析基础上，提出通过直接计算大尺度涡N-S方程，对于小尺度涡通过采用模型假定方法，建立小尺度涡与大尺度涡的联系，该方法相比直接模拟降低了对计算机性能要求，但仍需要较大计算成本。相对前两种方法，雷诺时均模拟应用更为广泛，它是指求解流体的三维湍流运动时，关注重点是水流平均运动情况，避免像直接求解法一样直接求解N-S方程，而是通过对时均化N-S方程进行求解，将湍流运动分解为平均运动和瞬时脉动流动两部分，将湍流运动中某时瞬时脉动量通过近似方法体现在平均化N-S方程。
为了考虑脉动影响，目前广泛采用雷诺提出的湍流平均运动思想，将瞬时值分解成平均值跟脉动值的和，即：
其中，D为瞬时值；D为平均值；D′为脉动值。
此时相应的方程可变为：
质量守恒：
动量守恒(雷诺方程)：
式中，为雷诺应力。
引入雷诺应力之后，导致方程不再封闭。因此，需要引入新的湍流模型将脉动项和时均项联系起来。通常新加的湍流模型分为两类：Reynolds应力模型和涡粘模型。本申请选用涡粘模型。在涡粘模型中，将湍流应力用湍流粘度来表示，而湍动粘度来自涡粘假设：
式中：ut为湍动粘度(Pa·s)；k为湍动能(m2/s2)。
SST(Shear Stress Transport)模型是一种特殊的涡粘模型，它是指在壁面附近流体使用k-ω模型，而在远离壁面处流体使用k-ε模型，充分考虑了湍流剪切应力传输，而不会对涡流粘度造成过度的预测，相比其他湍流模型而言，能够较为准确地捕捉曲率变化较大计算区域流动细节，又不至于对硬件要求过高。因此，本申请采用SST湍流模型对脱硫循环泵进行数值模拟。
图5至图7给出了脱硫循环泵蜗壳和叶片压力分布情况，可以看出Q＝4612m3/h、Q＝4365m3/h和Q＝3871m3/h工况下蜗壳和叶片压力呈现梯度变化，水流从泵轮入口到出口静压逐渐增大，没有出现局部的低压和高压区；Q＝2718m3/h工况下，蜗壳和叶片压力梯度相对较大。图8给出了叶轮0.5叶高流面展开矢量图，可以看出Q＝4612m3/h、Q＝4365m3/h和Q＝3871m3/h工况下叶片附近无明显脱流，而在Q＝2718m3/h工况下，叶片高压边存在剧烈的流动分离。
本申请实施例的脱硫循环泵叶轮优化方法包括：
基于相同比速段优异蜗壳泵性能敏感性参数统计学，分析原始叶片关键参数，结合多岛遗传算法(Island Genetic Algorithm,IGA)等多目标智能优化算法，借助CFD数值仿真手段验证，在保证其他性能前提下，提升脱硫循环泵扬程和效率。该优化设计体系，相比传统叶轮设计过程中的一元设计、二元设计以及单纯通过CFD试算，在优化叶轮设计时效性、准确性和精确性等方面具有天然优势。
优化方案叶轮几何参数如表四所示。
| 参数名称 | 几何参数 |
| 叶轮高压边直径D2(mm) | 796 |
| 叶轮低压边直径D1(mm) | 700 |
| 叶轮出口高度(mm) | 190 |
| 叶片数Z | 5 |
表四
图9至图11给出了优化后泵蜗壳和叶片压力分布情况，可以Q＝4612m3/h、Q＝4365m3/h和Q＝3871m3/h工况下蜗壳和叶片压力呈现梯度变化，水流从泵轮入口到出口静压逐渐增大，相比原来方案压力梯度变化更为均匀；Q＝2718m3/h工况下，蜗壳和叶片压力梯度相对原来方案有所减小。图12给出了叶轮0.5叶高流面展开矢量图，可以看出Q＝4612m3/h、Q＝4365m3/h和Q＝3871m3/h工况下叶片附近无明显脱流，而在Q＝2718m3/h工况下，叶片高压边存在剧烈的流动分离，相对原来方案有所缓解。
图13给出了脱硫循环泵优化前后不同流量工况下扬程和效率，可以看出，优化后方案扬程和效率均有所提高。其中，不同流量工况下，扬程提高约1.5m，Q＝4612m3/h和Q＝2718m3/h工况下，效率提高约1％，Q＝4365m3/h和Q＝3871m3/h工况下，效率略微提高。可以看出，改进后的脱硫循环泵，在多个工况下，内部流动状态得到改善，流体涡流损失降低，整机能耗指标下降，其具体表现为效率提升1％左右。
本申请实施例的脱硫循环泵结构数值模拟的流固耦合基本控制方程包括：
(一)强耦合矩阵方程：
弱耦合矩阵方程：
其中，[Af]、{Xf}和{Bf}分别表示流体域的系统矩阵、待求变量和外部作用力；[As]、{Xs}和{Bs}分别表示固体域的系统矩阵、待求变量和外部作用力；[Afs]、[Asf]表示流固耦合矩阵。
(二)模态分析方程
模态分析用于确定机械部件的振动特性，即结构的固有频率、振型、振型参与系数和有效质量，它们是结构承受动荷载设计中的重要参数。
离散的结构动力学方程：
式中：[M]、[C]和[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F(t)}为外界激励载荷；和{u}分别为对应节点加速矢量、速度。
矢量和位移矢量。
对于求解空气中模态时，系统实际上是做无阻尼自由振动，即[C]＝{0}，[F(t)]＝{0}，方程简化如下：
考虑流体作用时结构自由振动方程表示为：
假设流体为可压缩、无粘静水，且密度在整个流场为恒定值，则流体N-S方程简化得到离散流场域控制方程，并参考结构动力学方程形式表示为：
将上面两式合并得耦合系统完整控制方程为：
式中：[Mf]和[Kf]分别为流体质量矩阵和刚度矩阵，[Mf]和[Kf]分别为耦合质量矩阵和刚度矩阵。
利用模态的另一个假设条件：结构是线性的，即具有恒定的总体质量矩阵和总体刚度矩阵，则可以得到方程(2-8)、(2-9)的变形通解为：
{u}＝{φ}isin(ωit+θi) (2-8)
([K]-ω2[M]){φi}＝{0} (2-10)。
ANSYS进行流固耦合的研究和应用具有很长的历史，目前ANSYS旗下的流固耦合分析算法和功能已相当高的水准。从数据传递角度出发，流固耦合分析又可以分为两种：单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。考虑脱硫循环泵叶轮在运行过程中，受流体变形较小，故本申请基于ANSYS Workbench平台，通过CFX和Static Structual模块对叶轮结构进行单向流固耦合分析。
本申请实施例中，叶片结构材料为Gr30高铬铸钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7700kg/m3，屈服极限为560MPa，强度极限为750MPa。本申请基于Workbench平台进行流固耦合仿真计算，利用ANSYS MESH对叶轮叶片结构进行了网格划分，网格数量为61万，节点数量为35万，叶轮结构网格如图14所示。网格质量评判为Max Skewness＝0.76。
基于ANSYS Workbench多场耦合平台，将最小流量工况和最大流量工况的CFX流场求解结果作为外部荷载，导入Static Structual模块，对最大流量和最小流量工况下脱硫循环泵叶片结构域进行静力学求解。叶片与盖板连接出设置为固定约束，将叶片自身重力、叶片旋转产生的离心力加载到叶片结构，CFD计算得到的水压力加载到流体域与固体域的交界面上，如图15所示。对叶片振动特性进行分析时，采用约束模态进行评估，即施加叶片固定约束，进行模态分析。
图16至19给出了原模型和优化后模型叶片最大流量和最小流量工况下，叶片结构等效应力和等效变形情况，可以从叶片优化前后不同流量工况，叶片最大等效应力和最大变形值基本一致，发生位置均为叶片高压边中间型线附近。
本申请实施例中，叶片结构强度校核包括，在对脱硫循环泵叶片结构进行静力学分析基础上，以第四强度理论为评判依据对叶片结构可靠性进行评估；
破坏依据：
破坏准则：
式中：σ1、σ2和σ3为单元体X、Y、Z三个方向上的主应力，σs为屈服强度，[σ]为许用应力。
将有限元计算得到的等效应力值与结构材料屈服强度值进行对比，最小流量(即最大扬程)工况下叶片结构最大等效应力值9.1725MPa远小于材料屈服强度值560MPa，即可知脱硫循环泵结构强度仍处于安全稳定范围之内。
本申请实施例中，表五给出了优化前后叶片结构固有频率，可以看出原模型方案叶片前五阶固有频率主要为2151.5Hz，第六阶固有频率为2805.9Hz；优化后叶片前五阶固有频率主要为2148.3Hz，第六阶固有频率为2802Hz。相比原模型方案，优化后叶片固有频率有所降低。
| 阶次 | 优化前 | 优化后 |
| 1 | 2151.5Hz | 2148.3Hz |
| 2 | 2151.5Hz | 2148.3Hz |
| 3 | 2151.5Hz | 2148.3Hz |
| 4 | 2151.6Hz | 2148.4Hz |
| 5 | 2151.6Hz | 2148.4Hz |
| 6 | 2805.9Hz | 2802.0Hz |
表五
本申请实施例中，叶片结构受到外部激励频率主要为叶片旋转频率，为探讨叶片是否发生共振，将上文计算的固有频率与典型激励频率进行了比较分析。
脱硫循环泵叶片旋转频率为：
式中：n为脱硫循环泵转速；z为脱硫循环泵叶片数量。
由式(3-3)可以得到在脱硫循环泵运行工况叶片旋转的脉动频率为40.83Hz，远低于叶片固有频率，所能诱发共振可能性较小。
本申请通过对脱硫循环泵不同流量工况全流道CFD计算分析、多目标优化设计和有限元结构特性分析，得出的主要结论如下：
1、从以上CFD分析结果可以看出，优化设计得到的脱硫循环泵整个过流部件，包括蜗壳和叶轮在四种计算工况下流场压力梯度较为均匀，矢量分布均匀合理，效率和扬程均有较大提升。
2、利用流固耦合手段对优化前后模型进行结构特性分析，可以看出优化前后叶片应力和变形均在安全运行范围，优化后泵叶片的固有频率略有降低，当固有频率值远远大于典型激励频率，诱发共振可能性极小，满足设计要求。
图20为本申请实施例二所提供的一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置的结构示意图。
如图20所示，该脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置，包括：
建模模块10，用于利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；
网格划分模块20，用于基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；
数值计算模块30，用于借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；
特征参量计算模块40，用于基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；
对比模块50，用于通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；
校核模块60，用于基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
本申请实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置，包括建模模块，用于利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为脱硫循环泵的三维水体计算模型；网格划分模块，用于基于三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；数值计算模块，用于借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；特征参量计算模块，用于基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；对比模块，用于通过对比初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；校核模块，用于基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。由此，能够解决了现有脱硫循环泵内部流动状态表现一般，流体涡流损失较高，整机能耗指标表现不佳的技术问题，结合多岛遗传算法等多目标智能优化算法，借助CFD数值仿真手段验证，以对脱硫循环泵关键部件结构型线进行优化，在保证脱硫循环泵其他性能前提下，提升了脱硫泵扬程和效率。
为了实现上述实施例，本申请还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现上述施例所述的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法。
为了实现上述实施例，本申请还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例的脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取所述脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为所述脱硫循环泵的三维水体计算模型；
步骤S200：基于所述三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；
步骤S300：借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定所述叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，所述流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；
步骤S400：基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取所述脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；
步骤S500：通过对比所述初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；
步骤S600：基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱硫循环泵关键部件的特征参量包括：叶片工作面静压力、叶片吸力面静压力、流动场、脱硫循环泵外特性。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脱硫循环泵外特性包括脱硫循环泵扬程、工作效率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸包括叶轮高压边直径、叶轮低压边直径、叶轮出口高度、叶片数目。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对比所述初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸，包括：
通过判断初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件过流面压力分布是否更加均匀、压力梯度是否降低、扬程及工作效率是否得到提升，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核，包括：
通过判断优化后的脱硫循环泵关键部件等效应力及变形有无增大、关键部件的结构强度是否可靠以及共振诱发可能性，得到校验结果。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S100中用到的三维制图软件为Solidworks，步骤S200中用到的网格划分软件为ANSYS-ICEM，步骤S300中用到的流体动力学计算软件为ANSYS-CFX，步骤S600中用到的多场耦合计算平台为ANSYS Workbench。
8.一种脱硫循环泵关键部件结构型线优化装置，其特征在于，包括：
建模模块，用于利用三维制图软件对初始的脱硫循环泵的叶轮及蜗壳进行建模，抽取所述脱硫循环泵三维内流道结构，获得全流道水体计算模型作为所述脱硫循环泵的三维水体计算模型；
网格划分模块，用于基于所述三维水体计算模型，对计算域进行网格划分；
数值计算模块，用于借助流体动力学计算软件，确定数值计算过程中的流体动力学控制方程及其离散方法，设定所述叶轮及蜗壳进出口条件及边界条件，选用湍流计算模式，开展数值计算，其中，所述流体动力学控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和质量守恒方程；
特征参量计算模块，用于基于特定叶轮转速及流量等工况条件，计算获取所述脱硫循环泵关键部件不同结构及/或尺寸下的特征参量；
对比模块，用于通过对比所述初始的脱硫循环泵与不同结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件的特征参量，获得脱硫循环泵的优化结构及/或尺寸；
校核模块，用于基于多场耦合计算平台，计算优化结构及/或尺寸下脱硫循环泵关键部件静力学特征，对优化后的脱硫循环泵应力变形、结构强度及振动特性进行校核。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117634340A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-03-01 | 北京科技大学 | 一种底吹氩钢包脱硫效果的判定方法 |
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2023
- 2023-05-30 CN CN202310628047.1A patent/CN116702359A/zh active Pending
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| CN117634340A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-03-01 | 北京科技大学 | 一种底吹氩钢包脱硫效果的判定方法 |
| CN117634340B (zh) * | 2023-11-20 | 2024-05-24 | 北京科技大学 | 一种底吹氩钢包脱硫效果的判定方法 |
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