离心泵叶轮设计方法现状与发展趋势
2017-07-10徐宏伟刘莉
徐宏伟 刘莉
DOI:10.19392/j.cnki.16717341.201720101
摘要:本文着重介绍水泵传统设计理论的优缺点,在此基础上叙述基于CFD分析的水泵叶轮设计方法以及它的优缺点。对于我国较少研究的全三元反设计方法进行了探讨,对它的设计方法和理念进行介绍。通过分析得出离心泵未来的发展趋势是借助于计算机辅助设计。
关键词:离心泵;叶轮;优化设计;发展趋势
国家相关部门经过统计调查发现,我国年耗电量的10%是由离心泵工作消耗,这就说明离心泵的工作耗电量较大,需要得到改善。离心泵这一类叶轮机械的能量消耗主要发生在叶轮中,因此在设计过程中,提高叶轮的工作效率就可以降低离心泵的能量消耗,对于我国普及节能工作开展具有重要意义。随着世界计算机的飞速发展,计算机在离心泵设计中的应用也逐渐,现在的CFD技术能够对离心泵流场进行分析计算,所得结果有效可靠,与实际相符合。本文主要介绍传统离心泵设计方式的优缺点,并且对现代计算机辅助计算设计的方式做了介绍,体现CFD在离心泵设计中的重要性。
1 现有优化设计方法
离心泵叶片传统设计方法的理论基础是一元设计理论,传统设计方法具有较强的经验性。在设计过程中利用假设的方法将流体流动问题进行简化,例如可以假设叶轮中的流体被叶轮分为多层,流体互不混杂地沿层流动。研究单个旋转流面流动时,可以假设有无限个叶片,这样就可以求出流面上的流线,把相对流线进行叠加之后,形成了叶片表面,把这个图形加厚之后,就能够得到叶片的压力面和吸力面。所以画出各个回转面上的相对流线就是对叶片的线性设计。离心泵中流体流动是复杂的三维流动,所以其设计并不简单,一般会做简化处理,利用一元流动设计理论,使得计算变简单,具体的方法为,假设叶轮中流体都是轴对称流动,这样同一个截面上轴面流动就会均匀分布,流速只会随着一个坐标变化而变化。具体三个步骤为:(1)绘制叶轮的轴面图形;(2)生成回流转面;(3)绘制叶轮叶片的模型。这三个步骤中,最为重要的是叶轮叶片绘型,它是由作图法和解析法相结合的一种方法,对一元设计理论具有重要作用。
一元设计理论当然也会存在许多的缺点,它比较明显的五个缺点是:(1)不能准确计算叶片前方的流速,导致冲角过大;(2)无法控制叶片表面的流体负荷;(3)虽然叶片表面能够满足角度光滑,但是叶片表面的相对流速却不能保证光滑;(4)叶轮流道的内部相对流速会受到许多因素的影响;(5)无法确定最优的叶片设计方案。所以必须改变传统的设计方式,才能够克服以上的缺点,设计更优良的水泵叶片。
我们要注意的是,虽然一元叶片设计方式存在许多问题,需要拓展新方式,但是我们不能完全地抛棄这个方法,要保留其中优良的部分,与新的方法相结合,提升水泵的设计方法。
现代较常用的设计法是基于CFD的设计方法,由于传统的方式要进行反复多次计算,比较麻烦,所以在科技飞速发展的今天,我们结合计算机进行分析计算,各类的CFD软件不断涌现,避免了繁杂的人工计算,CFD技术正被大量运用于三维流场分析。
如同流体力学的正、反问题一样,离心泵的水力计算也是如此。正问题是流体流动的全部边界条件都已知,求解流动的参数,也叫做流体分析。反问题就是设计离心泵的问题,如果设计它的水力结构,求出几何边界,就是需要解决的问题。
所以分析可知,CFD设计对于叶片性能的控制能力很差,这成为了目前学者们共同努力研究的问题。通过不断地努力发现,全三元反问题分析法能够提高可控性,更加地高了叶轮设计的优良性。
2 离心泵叶轮设计发展趋势
2.1 多目标优化
通过对优化模型进行综合分析可以建立一个多目标的优化模型,这个模型的目标函数为:
f1:D22=(nπ60)2gH1+nQ160b2ψ2tgβ21-πsinβ2z
f2:N=ρ2ω4R42(1-πψ2zsinβ2)ωctgβ2(πb2ψ2)+ΔN
f3=NPSHr=0.0283ω4/3(1+γ21-γ2)2/3×(Qψ1ηv)2/3[λ22(λ1ψ21+λ2)]1/3
通过对模型进行分析修改,可以得到最佳的模型,解决许多实际问题。
2.2 遗传算法
遗传算法是借鉴生物学进化规律进行搜索与寻优的计算方法,这种算法结合达尔文的物竞天择、适者生存的理论,能够做到全局搜索,达到了求解问题的新高度,是一种十分优良的计算方式,解决传统方法不能解决的问题,达到全局最优。
Wahba和Toudidakis在离心泵的设计优化中引入遗传算法,可以建立损失最小和扬程最大的计算模型,建立多目标优化函数,二维流场计算中用有限差分法计算,对适应值函数通过流场计算结果进行分析,这样的计算方式能够得到最佳的计算结果,优化水泵。
2.3 神经网络
神经网络是一种模仿人脑的工作性质的工具,通过大量简单处理的单元相互连接,形成一个人工网络,能够进行计算、分析、学习等的工具,具有计算精度高、推算清楚等优点。通过神经网络与三维粘性流动分析可以对水泵的设计进行优化。
3 结论
利用计算机进行“数值仿真实验”可以真实模拟三维离心泵中流场的分布情况,认识离心泵内部的流动状态以及判断该水力模型是否满足要求。提高泵效率、降低成本的最有效方式就是基于三维流场仿真分析的离心泵水力模型优化技术,这是我国进行水泵自主研发的主要技术。
参考文献:
[1]任芸.离心泵内不稳定流动的试验及数值模型研究[D].江苏大学,2013.
[2]朱荣生.离心泵叶轮不等扬程水力设计方法研究[D].江苏大学,2011.