CN117077324B - 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法 - Google Patents

基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117077324B
CN117077324B CN202311325910.2A CN202311325910A CN117077324B CN 117077324 B CN117077324 B CN 117077324B CN 202311325910 A CN202311325910 A CN 202311325910A CN 117077324 B CN117077324 B CN 117077324B
Authority
CN
China
Prior art keywords
centrifugal pump
blade
energy gradient
blade load
method based
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311325910.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117077324A (zh
Inventor
陈健康
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilite Automotive Systems Changshu Co ltd
Original Assignee
Hilite Automotive Systems Changshu Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilite Automotive Systems Changshu Co ltd filed Critical Hilite Automotive Systems Changshu Co ltd
Priority to CN202311325910.2A priority Critical patent/CN117077324B/zh
Publication of CN117077324A publication Critical patent/CN117077324A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117077324B publication Critical patent/CN117077324B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F04D29/242—Geometry, shape
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Abstract

本发明提供了一种基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，包括如下步骤：S1：提供原始离心泵数据；S2：进行数值模拟，确定流道叶片载荷分布；S3：根据计算结果，基于能量梯度理论计算出离心泵叶轮内部能量梯度函数值分布；S4：根据能量梯度函数值分布，并判断原始离心泵的性能是否达标，若达标，则结束优化，若不达标，则进入步骤S5；S5：调整叶片载荷分布，重新绘制叶片模型并获得数据，并进行数值模拟，重复步骤S3。本发明通过找出离心泵内部最不稳定的位置，调整叶片载荷分布，直接干预叶轮内部主要不稳定区域，计算出满足最优能量分布的叶片几何，大幅提高设计速度，节省大量人力和时间。

Description

基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法。
背景技术
离心泵内部复杂的三维非定常湍流，常导致一些影响离心泵运行特性的现象，如压力脉动、流动分离、水力振动等。严重影响机组的运转稳定性及工作寿命。
目前，传统的离心泵设计方法在对离心泵进行设计时，都是定义叶片几何，然后进行CFD仿真，反复实验性的修改叶片几何，且CFD计算结果和如何修改叶片几何无必然联系，其中大部分修改是错误的或者多余的，主要依赖工程师的设计经验，造成时间和人力的浪费。
有鉴于此，有必要对现有的技术予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，以解决现有离心泵的设计费时费力的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，所述基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法包括如下步骤：
S1：提供原始离心泵数据；
S2：进行数值模拟，确定流道叶片载荷分布；
S3：根据计算结果，基于能量梯度理论计算出离心泵叶轮内部能量梯度函数值分布；/>值计算公式为/>，其中/>为流体总压，/>为流体静压，/>、/>和/>分别为沿/>、/>和/>方向的速度分量，/>为流体流动的法线方向，/>为流体流动的流线方向
S4：根据能量梯度函数值分布以及原始离心泵性能判断性能是否达标，若达标，则结束优化，若不达标，则进入步骤S5；
S5：根据值较大区域，调整相对应区域的叶片载荷分布，重新绘制叶片模型，并进行数值模拟，重复步骤S3。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，根据计算得到叶片载荷/>，公式中/>和/>分别为叶片压力面和吸力面压力；/>为叶片数；/>为叶片表面的相对速度；/>为水的密度；/>为速度环量。
作为本发明的进一步改进，和/>的计算方法如下：取离心泵中截面处的流动情况做分析，流线是处于x-y平面内，/>，/>，根据x-y平面上的二维总压梯度的关系，/>和/>分别为/>沿/>和/>方向的梯度，/>为x-y平面上/>和合成的总压梯度，/>和/>为在x-y平面上沿法线和流线的总压梯度，计算得到/>，/>，/>，则计算得到；总压沿z 方向上的梯度为/>，在三维空间中，沿流线法向的总压梯度为/>。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，数值模拟采用软件Fluent进行计算。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中，叶片几何模型根据叶片型线微分方程绘制。
本发明的有益效果是：本发明的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法通过确定离心泵叶轮内部能量梯度函数K值，找出离心泵内部最不稳定的位置，通过全三维反设计方法，调整叶片载荷分布，直接干预叶轮内部主要不稳定区域，计算出满足最优的能量分布的叶片几何，大幅提高设计速度，节省大量人力和时间，同时不再强烈依赖于工程师的设计经验。
附图说明
图1是本发明的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法的流程图；
图2是离心泵二维总压梯度关系图；
图3是离心泵叶轮三维图；
图4是离心泵优化前后叶片载荷曲线；
图5是离心泵叶轮优化前后性能曲线对比图；
图6是离心泵叶轮优化前后隔舌处压力脉动对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1至图6所示，本发明的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法包括如下步骤：
S1：提供原始离心泵数据；
S2：进行数值模拟，确定流道叶片载荷分布；
如图2所示， 步骤S2中，叶片由有势流动的奇点法中一系列的面涡所代替，面涡的强度由速度环量决定，叶片形状可根据给定的流场条件计算得出，流场条件主要取决于叶片载荷的分布情况，叶片载荷分布由周向平均速度矩对轴面流线的偏微分计算得出，离心泵叶片压力面和吸力面的压力差与叶片载荷满足关系式为/>，因此根据/>计算得到叶片载荷/>，公式中/>和/>分别为叶片压力面和吸力面压力；/>为叶片数；/>为叶片表面的相对速度；/>为水的密度；/>为速度环量，m为相对轴面流线长度，π是圆周率；数值模拟的方法为CFD，数值模拟采用软件Fluent进行。
S3：根据计算结果，基于能量梯度理论计算出离心泵叶轮内部能量梯度函数值分布；即本步骤采用能量梯度理论，分析出叶轮内部最先发生流动失稳的区域，为叶片载荷分布的调整提供参考；
S4：根据能量梯度函数值分布以及原始离心泵性能判断性能是否达标，若达标，则结束优化，若不达标，则进入步骤S5；步骤S4中/>值计算公式为/>，其中为流体总压，/>为流体静压，/>、/>和/>分别为沿/>、/>和/>方向的速度分量，/>为流体流动的法线方向，/>为流体流动的流线方向。
和/>的计算方法如下：取离心泵中截面处的流动情况做分析，流线是处于x-y平面内，/>，/>，如图3所示，根据x-y平面上的二维总压梯度的关系，/>和/>分别为/>沿/>和/>方向的梯度，/>为x-y平面上/>和/>合成的总压梯度，/>和/>为在x-y平面上沿法线和流线的总压梯度，计算得到，/>，/>，则计算得到；总压沿z 方向上的梯度为/>，在三维空间中，沿流线法向的总压梯度为/>，步骤S4中，叶片几何模型根据叶片型线微分方程/>绘制。关于叶片型线微分方程：在建立流动方程式，采用柱坐标（ｒ，θ，z），其中ｒ为径向距离，w为旋转角速度。如图3所示，关于相对轴面位置m,，令叶片进口处为0，叶片出口处为1，此水泵叶片进口直径为d1，叶片出口直径为d2，此时A点距离叶轮中心的距离为d3,则A点的相对轴面位置m=(d3-d1/2)/(d2/2-d1/2)。
S5：根据值较大区域，调整相对应区域的叶片载荷分布，重新绘制叶片模型，并进行数值模拟，重复步骤S3。步骤S4和步骤S5基于能量梯度和叶片载荷理论联合约束，来求解离心泵水力设计问题，提高了设计效率，缩短了离心泵设计周期；基于叶片载荷理论的全三维反设计方法，通过调整指定位置的叶片载荷分布情况计算出满足最优化的流动分布的叶片几何，大幅提高设计速度，节省大量人力和时间。
通过分析，可得出能量梯度值的分布情况。离心泵内部主要不稳定区域发生在相对轴面距离0.3~0.6的范围内。
调整相对轴面距离在0.3~0.6范围内的叶片载荷分布曲线，对叶轮进行优化，当增大此区域的叶片载荷时，K能量梯度值变小，同时可得出其能量梯度K值的分布情况。通过优化设计，当对此区域的叶片载荷分布整体增大0.1时，设计出的叶轮其扬程和效率不降低的情况下，离心泵内部流动涡的大小明显减小。
最终优化设计方法设计的叶轮，能有效的降低离心泵内部流动涡的大小，提高水泵的运转稳定性和运行寿命。
图4为优化前后水泵的叶片载荷曲线，两条曲线不重合位置主要取决于K值的分布情况，在K值较大的区域调整叶片载荷曲线的分布，然后再根据调整后的载荷曲线对泵进行重新设计，生成新的水泵叶轮。
图5和图6，是优化前后叶轮性能的对比，图5是离心泵的流量扬程曲线，根据此曲线可以看出优化后的叶轮较优化前性能有所提升。图6是优化前后两种水泵内部流动的压力波动情况，优化后，压力波动变小，水泵流动稳定性更好，损失也会减小。
本发明的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法通过确定离心泵叶轮内部能量梯度函数K值，找出离心泵内部最不稳定的位置，通过全三维反设计方法，调整叶片载荷分布，直接干预叶轮内部主要不稳定区域，计算出满足最优的能量分布的叶片几何，大幅提高设计速度，节省大量人力和时间，同时不再强烈依赖于工程师的设计经验。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，其特征在于：所述基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法包括如下步骤：
S1：提供原始离心泵数据；
S2：进行数值模拟，确定流道叶片载荷分布；
S3：根据计算结果，基于能量梯度理论计算出离心泵叶轮内部能量梯度函数值分布；值计算公式为/>，其中 />为流体总压，/>为流体静压，/>、/>和/>分别为沿/>、/>和/>方向的速度分量，/>为流体流动的法线方向，/>为流体流动的流线方向；
S4：根据能量梯度函数值分布以及原始离心泵性能判断性能是否达标，若达标，则结束优化，若不达标，则进入步骤S5；
S5：根据值较大区域，调整相对应区域的叶片载荷分布，重新绘制叶片模型，并进行数值模拟，重复步骤S3。
2.根据权利要求1所述的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，其特征在于：步骤S2中，根据计算得到叶片载荷/>，公式中/>和/>分别为叶片压力面和吸力面压力；/>为叶片数；/>为叶片表面的相对速度；/>为水的密度；/>为速度环量，在建立流动方程时，采用柱坐标（ｒ，θ，z），其中ｒ为径向距离，关于相对轴面位置m，令叶片进口处为0，叶片出口处为1，水泵叶片进口直径为d1，叶片出口直径为d2，与叶轮中心的距离为d3的点相对轴面位置m=(d3-d1/2)/(d2/2-d1/2)。
3.根据权利要求1所述的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，其特征在于： 和/>的计算方法如下：取离心泵中截面处的流动情况做分析，流线是处于x-y平面内，/>，/>，根据x-y平面上的二维总压梯度的关系，/>和/>分别为/>沿/>和/>方向的梯度，/>为x-y平面上/>和/>合成的总压梯度，和/>为在x-y平面上沿法线和流线的总压梯度，计算得到/>，，/>，则计算得到/>；总压沿z 方向上的梯度为 />，在三维空间中，沿流线法向的总压梯度为/>。
4.根据权利要求1所述的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，其特征在于：步骤S2中，数值模拟采用软件Fluent进行计算。
5.根据权利要求1所述的基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法，其特征在于：步骤S4中，叶片几何模型根据叶片型线微分方程绘制。
CN202311325910.2A 2023-10-13 2023-10-13 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法 Active CN117077324B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311325910.2A CN117077324B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311325910.2A CN117077324B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117077324A CN117077324A (zh) 2023-11-17
CN117077324B true CN117077324B (zh) 2024-02-06

Family

ID=88711965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311325910.2A Active CN117077324B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117077324B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106202795A (zh) * 2016-07-21 2016-12-07 浙江理工大学 基于熵产和叶片载荷联合约束的离心泵叶轮及其设计方法
WO2021129261A1 (zh) * 2019-12-26 2021-07-01 浙江理工大学 一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106202795A (zh) * 2016-07-21 2016-12-07 浙江理工大学 基于熵产和叶片载荷联合约束的离心泵叶轮及其设计方法
WO2021129261A1 (zh) * 2019-12-26 2021-07-01 浙江理工大学 一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于叶片载荷分布的离心泵水力性能研究";陈健康;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;全文 *
"离心叶轮载荷分布及能量损耗特性的实验研究";陈晓武;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117077324A (zh) 2023-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111271317B (zh) 一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮及其设计方法
JP3673523B2 (ja) ターボ機械及びその製造方法
CN107693868B (zh) 心脏泵叶轮设计方法和叶轮
CN112784370B (zh) 一种多级离心泵的空间导叶的设计方法
CN113153773B (zh) 一种仿生多翼离心风机叶轮及其制备方法
CN110909422A (zh) 一种离心泵叶轮高效工况区范围的预测及优化方法
CN110617238B (zh) 一种离心泵叶轮的优化设计方法
CN105971931A (zh) 一种离心式叶轮分流叶片的设计方法
CN113090580B (zh) 一种具有s型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法
CN117077324B (zh) 基于叶片载荷和能量梯度理论联合约束的离心泵优化方法
KR101808076B1 (ko) 효율 및 흡입성능을 동시에 최적화하는 원심 및 사류 펌프 임펠러 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 임펠러 및 원심 및 사류 펌프
CN113503262B (zh) 一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法
CN113339267B (zh) 一种弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵
CN213899395U (zh) 蜗壳、风道结构和吸油烟机
CN112943699A (zh) 一种基于弯角设计的压气机静叶减振优化设计方法
CN207847706U (zh) 一种工业汽轮机高效调节级静叶片
CN209033308U (zh) 心脏泵叶轮和心脏泵
CN212297032U (zh) 蜗舌本体、风机蜗舌和风机蜗壳
CN113530851B (zh) 一种两级增压系统高低压级压气机的仿真方法
CN111120405B (zh) 一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法
CN102410250B (zh) 适用于低分子量气体的离心压缩机叶片及压缩机
CN106958534B (zh) 一种提高抗汽蚀性能的轴流泵叶轮
CN115795937A (zh) 一种航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法
CN117172143A (zh) 一种采用cfd流场分析的流线法设计轴流泵导叶体的方法
CN116066400A (zh) 一种极大扬程最大直径的叶轮及多级泵

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant