（化工过程机械专业论文）低比转数离心泵内流模拟和结构优化.pdf

摘要 针对低比转数卫生型离心泵等特殊用途离心泵基于经验和特殊结构需要的设计难以 达到最佳效果的问题，本文以低比转数离心泵为对象研究内流场数值模拟和结构优化方 法，以一台低比转数卫生型离心泵为实例，进行内流场的数值模拟和优化分析。利用计 算流体力学( c f d ) 技术对研究对象在多种工况下的内部流动状态进行模拟，基于流动 分析对多种结构参数下的水力性能进行预测，基于神经网络方法进行水力尺寸的优化设 计，通过试验研究的手段验证数值模拟和优化的结果。 介绍了离心泵内部流动数值模拟的基本理论和方法，详细阐述了在通用c f d 分析软 件环境下的叶片造型、网格生成、边界条件、壁面条件等实用技术和设置方法；介绍了 离心泵内部流动的详细计算过程和方法，以及基于内流数值模拟的外特性预测方法。 针对卫生型离心泵实例在全工况下的内部流动进行了全流场数值模拟，给出了各过流 部件的内流场结构，分析了从小流量到大流量工况下的流场变化和外特性曲线，将全工 况下的外特性结果与模型试验数据进行了比较分析，两者能较好吻合，验证了数值模拟 的合理性。 在基本模型分析的基础上，研究了影响低比转数离心泵水力性能的关键参数，并针对 不同结构参数和水力参数进行内部流动数值模拟和水力性能预测，对关键参数对性能的 影响进行了量化的比较分析。在此基础上，通过基于神经网络的优化设计方法，对关键 结构参数进行优化设计，给出了优化过程和实例。 给出了试验验证方法、试验测试与分析程序，并完成了试验系统的调试，为进一步开 展试验研究打下了基础。 本文给出低比转数离心泵内流场模拟、性能预测、优化设计以及试验验证方法，为特 殊用途低比转数离心泵的设计与性能提高提供一个有效的思路，同时丰富了卫生型离心 泵的理论研究结果，具有理论意义和直接的工程应用价值。 关键词：低比转数：离心泵；数值模拟；内部流动；性能预测；结构优化 a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e mt h a ti ti sh a r dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s o m es p e c i a l - u e s dp u m p s u c ha sl o ws p e c i a l - s p e e ds a n i t a t i o np u m p , 、聃t ht h ei n t e r i o rf l o ws i m u l a t i o na n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na n dt h el o ws p e c i a l - s p e e dc e n t r i f u g a lp u m pa st h er e s e a r c ho b j e c t s ，c o m b i n e d w i t hal o ws p e c i a l - s p e e ds a n i t a t i o nc e n t r i f u g a lp u m pa st h ei n v e s t i g a t i v eo b j e c tw i t hw h i c h i n t e r i o rf l o ws i m u l a t i o na n ds t r i l c n 删a n a l y s i sw e r ed e a l e d s t e a d yo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n di n t e r i o rf l o wo fl o ws p e c i a ls p e e dp u m pu n d e rm u l t i - w o r ko p e r a t i o n sa r es t u d i e di nd e t a i l b yc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t e c h n o l o g ya sw e l la sp r e d i c t i o no fs t e a d yf l o w p e r f o r m a n c e t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dp r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n so fc e n t r i f u g a li m p e l l e ri n t e r i o r f l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r en 卸盯a t e d t h em o d e l i n go fi m p e l l e ra n dm e t h o do fm e s ha n d s e t t i n go f b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ee x p a t i a t e d a tt h e8 a 缸l et i m e ，t h ep r e d i c t i o nm e t h o do fl o w s p e c i a ls p e e df l o wp u m pe x t e r i o rc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eg i v e na c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s s t e a d yf l u i d f i e l da r es i m u l a t e db yc f ds o r w a r eu n d e rm u l t i w o r kc o n d i t i o n so f s a n i t a t i o nc e n t r i f u g a lf l o wp u m p i n t e r i o rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n de x t e r i o rp e f f o r m a n c eo f m i x e df l o wp u m pa r ea n a l y z e dr o u n d l y , w h i l ec o m p a r en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t sw i l h e x p e r i m e n tr e s u l t s b a s e do nt h eo r i g i n a lm o d e la n a l y s i s ，i n t e r i o rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n de x t e r i o r p e r f o r m a n c eo fl o ws p e c i a l s p e e ds a n i t a t i o nc e n t r i f u g a lp u m pw i n ld i f f e r e n ts 1 蕾u 咖r ea n d h y d r a u l i cp a r a m e t e r s ，a n da n a l y z et h er e s u l t s a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h r e eh y d r a u f i c p a r a m e t e r st ot h ep e r f o r m a n c eo f t h ep u m pb yt h em e a n so f n e u t r a ln e t w o r kb a s e do p t i m i z a t i o n , a n dg i v et h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sa n daf i g u r e g i v et h ep r o g r a mm e t h o d sf o rt h et e s tv a l i d a t i o n 、t e s t i n ga n da n a l y s i s c o m p l e t et h e d e b u g g i n go f t h et e s ts y s t e m , m a d et h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x tt e s t i n g t 1 l ew o r ko ft h i sp 8 d e rb u i l d st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fl o ws p e c i a ls p e e d c e n t r i f u g a lf l o wp u m p ，a n da n a l y z e st h es t e a d yi n t e r i o rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n de x t e r i o r h y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo fl o ws p e c i a ls p e e ds a n i t a t i o nc e n t r i f u g a lp u m p t h er e s u l t sn o to n l y p r o v i d et h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o no fl o ws p e c i a ls p e e d c e n t r i f u g a l ，b u ta l s oe n r i c ht h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fl o ws p e c i a ls p e e dc e n t r i f u g a lf l o w p u m p t h e r e f o r e i ti sh a v es t r o n ga c t u a la p p l i c a t i o nv a l u e k e b o b ：l o ws p e c i f i cs p e e dp u m p ；c e n t r i f u g a lp u m pn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n t e r i o rf l o w ； p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 水泵是一种应用广泛的耗能机械，其中高扬程、小流量的低比转数离心泵被广泛应用 于化工、矿山、石油、农业生产以及食品等诸多领域中。由于其使用场合的多样性，使 得低比转数离心泵具有多种不同的系列和类型，其叶轮均具有叶片出口宽度小、叶轮直 径大的特点“。如何根据这种特定的几何形式，研究其内部流场的结构特点，从而找到提 高其效率的方法，是一项十分有意义的工作。 低比转数离心泵一般是指比转数弹。介于2 5 1 2 0 之间的离心泵 2 1 。由于低比转数离心 泵流量小、扬程高，致使流道窄而长，圆盘摩擦损失大，因此效率较低。长期以来，低 比转数离心泵在水力性能上存在三大问题：泵的效率较低，浪费能源；扬程曲线易出现 驼峰，运行工况不稳定；轴功率曲线随流量增加而迅速上升，使泵在大流量区运行易产 生过载现象。针对上述问题 3 1 ，早在1 9 7 2 年，人们就开始研究低比转数离心泵的效率和 驼峰问题。尤其是近2 5 年来，众多学者和技术人员进行了大量卓有成效的研究，并提出 了诸如加大流量法、无过载设计法、复合叶轮设计法等设计方法，同时也提出了各种优 化设计方法及相关的数学模型。从实用的角度来看，可以较好地满足工程实际的需要， 但就其现阶段的发展水平看，仍然属于半经验半理论，因此还是让人感到有点“模糊不 清”。经试验验证，这些方法对提高低比转数离心泵的效率、改善流量一扬程性能曲线稳 定性都有一定的作用。但这几种方法都未涉及叶片型式、结构型式对泵性能的影响。因 此有必要对离心泵叶轮内的流动规律予以分析，提出叶轮水力参数、过流部件优化尺寸 的设计方法【4 】。 早在2 0 世纪7 0 年代初期，由于实验技术的发展，很多学者开始用可视化的方法研究 径向式离心风机内的真实流动状况0 1 ，并在这些观察实验的基础上，提出了“射流一尾流一 结构的概念嘲。指出对于离心叶轮，即使在最高效率点附近，叶轮通道内的流动基本上还 是由相对速度较小、旋转滞止的尾流区以及近似无粘性的射流区组成；叶轮的损失主要 集中在尾流区内；这种“射流一尾流”结构是影响离心叶轮效率的主要因素，二次流对 低能流体的输运是形成“射流一尾流”结构的主要原因0 1 。对于离心泵叶轮，虽然流动介 质发生了变化，现有的研究结果己表明，在叶轮的进1 ：3 存在着进口回流，出口存在二次 1 浙江大学硕士学位论文 流m 。当今众多学者运用专用泵优化思想和综合优化思想对低比转数离心泵的基本构造和 水力设计进行优化。其中在水力设计的优化过程中由于几何参数较多，而且各种参数对 泵性能的影响又是相互联系的，因此各种水力性能既相互矛盾又相互统一。研究离心泵 叶轮内流的最终目的是为了实现对叶轮中流动的最优化控制和离心泵叶轮的最优化设计 嗍。通过c f d ( c o m p u t e rf “dd y n a m i c s ) 软件结合最优化理论，来提高离心泵的优化设 计是很有意义的。 本文将结合一台低比转数m o d e l - i 卫生型离心泵( 其比转数以。= 2 9 3 7 ) 进行具体 的实例分析。按照食品加工设备的生产法规经设备生产的产品必须要保证食用安全，以 保障消费者的利益，与此同时，设备的清洗成本、所得的经济效益和对生态环境的保护 等各个方面，也不容忽视，必须保证在刷洗结束时泵内的卫生状况，且泵的刷洗性能， 不伤害产品性能，效率和运行保养成本【9 1 。 除了高效率之外，食品行业对泵的卫生要求也越来越高。只有当泵满足高寿命、低噪 声和良好的清洗能力，才能满足这些要求。另外，这些泵还要能够在不拆卸的前提下刷 洗，即具有c 口刷洗能力。 由于卫生型离心泵广泛应用于食品和化工行业的输送过程，而按照食品加工设备的 生产法规，经设备生产的产品必须要保证食用安全，以保障消费者的利益，必须保证在 刷洗结束时泵内的卫生状况。而且泵的刷洗性能，不应伤害产品性能、效率和运行保养 成本。但是，目前国内广泛使用的卫生型泵的性能虽然基本能满足要求，但效率偏低。 依据传统泵的设计方法只能保证泵的外部性能指标满足要求，而无法控制内部流场特征， 为保证泵内没有任何卫生死角以确保所输送介质不被污染，并提高每台泵的效率，以确保 新型卫生型离心泵各方面性能大大优于现有卫生型离心泵，且能降低其生产成本，就需 要有一种能够有效控制、分析、预测内部流场的方法而采用流场分析工具，通过计算 得到的压力、速度分布，能了解该泵效率的高低，以及死角区域所在。采用流场分析法， 减少了生产试验的成本，数值模拟还可以得到详细的内部流场和外部性能特征，以改进 流动结构，保证新型卫生型泵具有最佳的基本性能“ 鉴于卫生型离心泵的特殊要求，根据有关厂家的要求，在满足离心泵卫生要求的基 础上，针对m o d e l - 1 卫生型离心泵，改进其性能、提高效率，并建立有效的方法和技术手 段，用于提高类似特殊用途离心泵的性能。针对已试制的卫生型离心泵进行内部流动的 数值模拟，并基于模拟进行水力模型的改进设计，使该泵的性能得到改善，达到设计和 使用要求。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 低比转数泵数值模拟与优化设计现状 就叶轮机械领域来说，基于流场分析的性能预测方面的成果是相当多的。文献 1 8 1 对 离心式水轮机各个过流部件进行了流动分析。为了绘出综合特性曲线选择了5 个不同的 开度和四种不同的转速共2 0 个工况点，这些工况点分布在最优工况的2 5 的范围内，分 别对折2 0 个工况进行了计算。并将计算结果与试验结果对比。在泵方面，大部分的性能 预测都是基于统计资料，试验和经验公式。如文献 1 8 1 是基于面积比的原理预测泵的扬程， 流量和效率。文献 1 9 1 借助于试验数据建, - # - j - 单级离心泵的性能预测模型。文献 2 0 】在一 元流动分析的基础上预测泵的外特性。文献 2 1 1 借助于在离心压缩机中发现的关系。然后 修正并消除压缩的影响而建立的预测模型。 1 2 1 传统数值模拟方法 一般来说对于离心泵的水力性能及内流特性研究的主要方法主要有四个：( 1 ) 理论分 析：( 2 ) 模型试验；( 3 ) 真机试验；( 4 ) 数值解析。理论分析主要是基于泵的基本理论、 丰富的科研成果信息库和其它相关领域的基础知识，运用逻辑思维进行分析判断，从定 性上分析泵的能量特性、空化性能、并分析可能引起水轮机水力振动的原因和提出改进 措施。它是最早和最基本的研究方法，能深刻地认识现象的本质规律，是确定解决问题 技术思路的主要依据，但是由于叶轮机械内部流动的极端复杂，不可能在理论分析中考 虑到各个因素的影响及相互作用关系。因此理论分析方法只能从定性的角度认识叶轮机 械内部流动，而且单靠理论分析得到的叶轮机械的内流信息远远不能满足工业发展的实 际需要，因此模型试验成了早期叶轮机械内部流动研究的另一重要方法【2 2 1 。模型试验， 主要是基于模型试验装置、模型试验台和测试设备对泵的流体运动进行模型试验，应用 先进的测量设备和成像系统对模型泵内部水力特性进行观察和测量，得到一些相关的数 据和图像，真机的特性可能通过经验公式对模型试验数据进行修正得到，因此模型试验 是当代研究泵水力特性的重要途径。但是试验研究面临投资大，周期长等实际困难，试 验的手段、数据的精度和可靠性会受到测试仪器和环境的影响，对于流场整体和细微流 动的分析能力有限。真机试验，模型和真机的某些特性关系不能完全模拟和换算，因此 其水力特性和稳定性必须进行相应得现场试验测试。同时还可以通过大量的真机试验， 归纳总结出模型与真机特性的换算关系。数值模拟，主要利用基于计算流体动力学 ( c o m p u t e r f l u i d d y n a m i c s ) 技术，对叶轮机械过流部件内部流动进行三维粘性解析，并 3 浙江大学硕士学位论文 对得到的结果进行详细的分析。数值模拟是具有投资小、研究周期短和精度易于提高等 特点的一种研究流体流动的有效方法。这种方法从出现开始就显示了强大的生命力，c f d 技术作为一种崭新、强大而有效的研究工具已经广泛应用于叶轮机械内部流动的研究中。 八十年代以来，随着计算机技术和计算理论的高速发展，叶轮机械内部流动解析和气动 设计的手段开始了用数值模拟代替模型试验的时期【矧。近十多年来，叶轮机械内部流动 的数值研究己不再局限于性能预测，已经被国内外学者广泛应用于改善机器性能方面。 流体机械c f d 技术是当前国际上最活跃的研究领域之一，并朝实用化、产品化方向发展。 可以说，随着计算机技术的发展和c f d 理论的日趋成熟，c f d 技术的重要性正逐步被认 识，水利机械内部流动的模拟正日益成为水利机械研究部门及制造厂重要的辅助手段。 近年来随着计算机技术和c f d 技术的大力发展【棚，大型商业化的c f d 软件有了很大 的发展，除了计算能力有了很大的提高外，前后处理功能的提高非常明显，目前这些软 件已经成为工程实践和科学研究的有力工具。本文中采用的计算软件是f l u e n t ，它是 全球市场占有率最高、影响最大的c f d 软件，被广泛应用于航空航天、汽车设计、半导 体设计、化学处理、发电、生物医学等各种领域，被许多著名的企业作为主要的气动水 动力学分析和设计的工具，其中包括美国宇航局( n a s a ) 、美国国防部( d o d ) 、美国 能源部( d o e ) 以及a b b 公司、西门子公司、波音公司，福特公司、三菱公司、m m 公 司、杜邦公司等。f l u e n t 是世界领先的c f d 软件，在流体建模中广泛的被应用。由于 它一直以来以用户界面友好而著称，所以对初学者来说非常容易上手，提高生产速度。 它基于非结构化及有限容量的解算器的独立性能在并行处理中的表现堪称完美。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动 的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计 算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计 算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能 够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的 网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因 此大大方便了用户。 离心泵叶轮的内部流动很复杂，一般说来是三维的湍流流动，由于受叶轮旋转和表面 曲率的影响还伴有脱流、回流及二次流现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算 的问题之一。早在2 0 世纪5 0 年代，一些专家学者就开始尝试采用数值计算的方法来预 测叶轮中的流动情况。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学c f d 发展很 4 浙江大学硕士学位论文 快，在离心泵内流数值模拟上的应用也日见繁多。用c f d 方法研究各种离心泵叶轮的内 流特点，从而进行叶轮的选型和设计已成为现代水泵技术的重要方法之一1 2 5 1 。 在数值模拟自然流动的计算流体动力学领域，全三维n a v i e r - o k e s 方程是描述流体 运动的基本数学物理方程。对于该方程，要直接求解其湍流运动在目前还仅限于简单的 二维流动场合，对于复杂的三维流动在目前还是无法直接求解。这是因为，一方面，计 算区域要大到足以包含最大的涡，同时，计算用的网格尺寸又必须足以分辨最小的涡， 因此要直接求解全三维n a v i e r - s t o k e s 方程需要巨大数量的网格。目前计算机的内存容 量还不足以容许如此巨大数量的网格；另一方面，即使计算网格可以取足够细小，按目 前的计算机运行速度，直接求解全三维n a v i e r - s t o k e s 方程所需要的时间也是不能实现 的。目前，n a v j e r - s t o k e s 方程的时均化处理+ 湍流模式求解方式仍是全三维 n 旨v i e r - s t o k e s 方程求解的主流，也是我们求解离心泵内部全三维流动的主流方法。 1 2 2 由试验和数值计算相结合的模拟方法 前面已经详细论述了离心泵传统模拟方法的内容，但实际效果如何还需在实践中进行 检验、修正、不断进行完善，只有通过实践检验可行的理论，才能够在实际工作中应用 推广，取得较大的应用价值。由前面论述可知做试验研究面临投资大，周期长，对于流 场整体和细微流动的分析能力有限等实际困难，其优点是完全模拟水力特性和稳定性， 更接近真实。而数值模拟是具有投资小、研究周期短和精度易于提高，能进行流场整体 和细微流动模拟等特点的一种研究流体流动的有效方法，其缺点是由于计算能力的限制 和实际建模时为了有利于计算而作的简化所以并不能非常真实的反映实际情况。 目前习惯用这样的方法对数值模拟结果进行验证：采用c f d 技术对某一个机械目标 进行数值模拟，通过计算得到一些计算结果，在通过机械制造做成试验装置后，经过试 验得到一个试验结果，最后通过将计算结果与试验结果相比较，看是否相一致，一致的 程度越好，说明计算结果越是准确的，从而判定科研成果的好与坏，在比较的过程中， 对量化的追求比较高。但这种方法是不科学的，也是不合理的，尤其是对流体机械这类 产品，更是不科学、不合理的。离心泵的试验结果是多种因素影响下得到的实际试验结 果【2 7 】，如铸造因素影响，加工制造的影响，装配技术的影响，试验方法和试验技术的影 响。从理论上分析，离心泵的最终工作性能，要取决于三种损失的大小，电动机的输入 能量要减掉这三种损失，才是离心泵的最终工作性能，这三种损失分别是：机械损失、 容积损失、水力损失。而对于数值模拟的结果的处理则只能依据一些经验公式进行较正。 s 浙江大学硕士学位论文 准确的验证方法则是要把性能预测建立在c f d 技术和设计经验计算相结合的基础上，分 析计算结果与试验研究结果要做到定性相一致，在定性相一致的情况下，预测的计算结 果再与试验结果进行量化的比较，追求高度的量化一致是不可取的。在优化设计的过程 中，计算结果与计算结果相比较，试验结果与试验结果相比较。在不同的设计方案的情 况下，可以通过数值模拟对不同方案的计算结果相比较，以进行优化工作。在产品的设 计研究工作中，不同的设计方案经过试验后，试验结果与试验结果相比较，以判定设计 方案的好坏及设计的效果。这样比较可以消除其他影响因素的影响，是科学的，合理的。 如此，则可先由数值模拟进行各种不同结构参数匹配的预测，取其优秀者进行组合再模 拟，得到优秀的整体模型后进行实验验证。则既可以得到好的设计模型，又能够减少设 计成本，节约设计时间，取得良好的社会经济效益。 1 2 3 优化设计在低比转数离心泵设计中的应用 低比转数离心泵的传统优化设计方法主要有速度系数法优化设计、损失极值法优化设 计和准则筛选法优化设计。速度系数法是对已有模型进行归纳统计而得，通过建立优秀 的水力模型库，及时优化各种水力系数，跟随当时水泵的先进水平，其不足是所设计的 泵的性能难以超越现有水平【4 9 l 。 损失极值法将泵内各种损失通过各种经验系数和泵的有关结构参数联系起来，在总损 失为最小的前提下，求得最佳的结构参数，因此，该方法在获得高效离心泵性能方面是 较为成熟的，应用也比较普遍。但是它也有不足之处：首先，把各项损失与有关的估算 值绝对化是不合适的；其次，只强调损失与有关几个几何参数之间的关系，而忽视水泵 各重要部件的形状对泵体性能的影响当然也是不合适的；最后，离心泵的许多结构参数 由经验赋值也加大了优化设计的局限性。 准则筛选法是在对离心叶轮内流机理分析的基础上，建立减小各项损失与控制性能指 标的目标函数，寻求离心叶轮及蜗壳等过流部件的几何参数的各种组合，从中筛选出最 佳方案。但是由于该方法的理论基础还不完善，因此这种方法本身需要进一步发展幽。 由于低比转数泵的各种水力性能之间既是相互矛盾又是相互联系的，因此对应的各种 水力设计方法之间也是相互联系的。加大流量法可以提高效率，但是由于此时面积比y 值比较大，将使特性曲线出现驼峰和轴功率曲线不饱和，从而可能引起不稳定性和过载 现象，反之，消除驼峰和避免过载的无过载技术，由于选取较小b2 ，6 2 等将导致面积 比比较小，从而又会降低效率，而且可能引起制造困难。因此在设计低比转数离心泵时， 6 浙江大学硕士学位论文 应综合考虑各方面的因素，结合现实情况综合优化设计【5 “。 从目前发表的低比转数泵研究文献看【5 2 1 ，主要集中在探讨几何参数与泵性能之间关 系上，所形成和发展的低比速泵特有的加大流量设计和无过载设计已较为成熟，基本能 指导工程实践。今后研究的重点将由过去的试验、外特性和孤立研究向理论、内特性和 系统研究发展。应加强旋转叶轮内部流场的测试，在掌握真实流动机理的基础上，立一 系列优化设计准则和计算模型，发展一套科学的能直接用于工程设计的以一元理论进行 初步造型设计，然后用三元粘性流动计算进行流场校核并预测泵性能的c a d 程序。对低 比转数泵而言，为进一步提高效率，应设法控制叶轮内的边界层分离及叶轮出口的尾迹 区等，这是有待于进一步研究的领域。 在水力机械中，优化问题是以能量性能和空化性能为目标函数，对叶片数、轴面流道 形状、叶片进出口边的轴面投影及叶片几何形状中的一个或几个参数进行优化。到目前 为止，在这方面都是采用常规方法进行优化，而常规方法有它本身无法克服的缺陷：无 法收敛到全局最优解。随着计算手段的提高，和计算方法的发展，现在各种设计方法和 计算方法都被应用到了泵的优化设计中。近年来，随着智能理论、计算机科学的发展出 现了许多新的智能计算方法，如模拟退火、人工神经网络，进化计算等，这些新方法的 优越性能给机械优化设计的发展带来了可能。将这些新的智能计算方法合理地应用到机 械优化设计领域，有可能解决传统优化设计方法进行机械优化设计存在的问题【4 1 1 。 初期的优化设计是以局部优化，图解为主，优化主要集中在叶轮轴面流道校核和绘制 流线展开图两个方面，以采用传统的图解计算方法为主在叶轮轴面流道校核方面，以 过流道面积( 和轴面光顺) 变化规律光顺为目标，交替改变叶片轴面形状参数( 叶轮前 后盖板倾角、前盖板圆弧、后盖板圆弧等) 达到较为直观的非劣解图示曲线；在流线展 开图方面，以流线变化规律光顺为目标，交替改变流线形状参数( 叶片进口角、叶片出 口角、包角等) ，达到流线光顺的较为直观的非图示劣解。在一般情况下，是相互独立的， 但如果流线的优化不能满足要求，也可能要从新优化叶轮轴面形状【2 s 1 。 进入九十年代以来，国内在水泵c a d 领域做了许多工作，尤其是在离心泵的水力设 计和木模图绘制方面，达到了实用的程度。文献【4 3 】在对现有双流道式叶轮水力模型进行 归纳总结基础上，给出了用速度系数法设计轴面图时的各系数值，提出了新的平面图流 道中线方程、外流道曲线方程以及流道中线截面面积变化规律。泵的优化设计一直是泵 设计人员所追求的，但由于种种原因，进步不快，只在局部优化，随着采用新的优化技 术和汲取相近学科的成功经验，泵c a d 中采用优化技术越来越多。 7 浙江大学硕士学位论文 在一般的机械优化设计中，有如下几个步骤： 1 ) 建立优化设计的数学模型。 2 ) 选择适当的优化方法，编写计算机程序( 一般化仅需编写数学模型子程序和编写或 改写主程序逻辑段) ； 3 ) 准备必要的数据并上机计算； 对计算机求得的结果作必要的分析和处理。 总之，在机械优化过程中，要遵循优化设计的总要求，并在此基础上对具体问题建立 不同的数学模型，采用合适的优化方法，即而达到最佳效果。 遗传算法1 4 4 ( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 是一种以达尔文自然进化论和孟德尔遗传变 异理论为基础的求解优化问题的仿生类算法，它借鉴于达尔文的物竞天择、优胜劣汰、 适者生存的自然选择和自然遗传机理，其本质是一种求解问题的高度并行全局搜索方法。 用遗传算法求解问题时，首先对问题的解进行编码，构成个体，不同的个体构成种群。 每个个体根据适应函数有一个适应值，然后通过选择、交叉和变异等操作构成新一代更 好的种群，这样不断进化，直至求出最优解。 遗传算法是一种较特殊的优化方法：它不象一般的优化方法需要对目标函数有较具体 的要求，只需要一个可以比较大小的非负的适应度函数即可；而且对较复杂的搜索问题 能产生更好的效果。遗传算法设计过程里面包括几大步骤：控制参数输入；初始群体生 成( 参数编码) ；参数译码：适应度函数的确定和计算；遗传操作( 选择、交叉、突然变异) ； 最佳个体保留和最终优化结果输出。 流体机械中的优化问题那是比较复杂的非线性问题，甚至是多目标问题。这无形加大 了应用的难度，在水力机械中还没有应用遗传算法的先例充分说明了这一点，遗传算法 在流体机械中的应用还刚刚起步。应用常规方法优化流体机械中的问题己显示了它的弊 端，过多的依赖梯度、导数等信息；对于多峰问题很难找到全局最优解；对多目标优化 问题用常系数加权变多目标为单目标处理的方法已被证明很不合适：它过多的依赖权重 的信息，而且只收敛到一个解。而遗传算法的多目标处理方法能使它收敛到一组非控制 解以适应不同的目标要求。 许多学者曾采用遗传算法进行过流体机械元件设计的尝试。文献 4 5 】就曾试图利用一 种模拟进化策略通过实验找到一个超音速喷管的最佳形状。喷管的形状在实验中通过一 个弹性环形装置变化环形半径来改变。该方法与遗传算法非常相似，且使用了许多现代 遗传算法的操作特征。该进化策略后来也被文献 4 6 】在实验中采用，用于寻找离心风扇的 8 浙江大学硕士学位论文 最佳箱体形状。随着计算机技术和c f d 技术的迅猛发展，人们可以利用数值模拟方法对 流场直接求解e u l e r 方程或n s 方程。文献 4 7 】利用遗传算法进行并行c f d 的非结构化 网格割分。遗传算法被应用于优化一个基于“吸引子”方法的粗网格剖分。吸引子方法 的基础是在网格中不同的位置放置与处理器数目相等的点，节点则被划归到最近的点( 处 理器) 以产生一个剖分。采用该方法在一个立方体内进行的非结构化四面体网格剖分，产 生了一个相当好的结果。 遗传算法与传统算法相比，它并不是直接作用在变量本身，而是利用变量的某种编码 技术，而且不依赖于问题的梯度信息，仅通过适应值信息就可实现的一种算法。这使得 遗传算法能够有效的解决非连续的、非规则的、非凸的函数问题。因此，遗传算法在各 个领域得到了广泛应用，并越来越受到学术界人事的重视。由于遗传算法完全抛弃了逐 个求解的方式，它的“群体效应”使其具有能够同时搜索一组解的特性，从而使得遗传 算法更适合应用于多目标优化问题。 从机械优化方法得出的结论与用遗传算法得出的结论相比较，可以得出遗传算法的特 点： 1 ) 遗传算法的处理对象不是参数本身，而是对参数进行了编码的个体。此编码操作， 使得遗传算法可直接对结构对象进行操作。所谓的结构对象泛指集合、序列、矩阵、树、 图、链、和表等各种一维或二维甚至三维结构形式的对象。这一特点使得遗传算法具有 广泛的应用。 2 ) 如前所述，许多传统搜索方法都是单点搜索算法，即通过一些变动规则，问题的 解从搜索空间中的当前解( 点) 移到另一解( 点) 。这种点对点的搜索方法，对于多峰分布的 搜索空间常常会陷入局部的某个单峰的优解。相反，遗传算法是采用同时处理群体中多 个个体的方法，即同时对搜索空间中的多个解进行评估。更形象地说，遗传算法是并行 地爬多个峰。这一特点使遗传算法具有较好的全局搜索性能，减少陷入局部优解的风险。 同时，这使遗传算法本身也十分易于并行化。 3 ) 在标准的遗传算法中，基本上不用搜索空间的知识或其它辅助信息，而仅用适应 度函数值来评估个体，并在此基础上进行遗传操作。需要着重指出的是，遗传算法的适 应度函数不仅不受连续可微的约束，而且其定义域可以任意设定。对适应度函数的唯一 要求是，对于输入可计算出加以比较的非负数值。遗传算法的这一特点使它的应用范围 大大扩展。 4 ) 遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向。 9 浙江大学硕士学位论文 遗传算法采用概率仅仅是作为一种工具来引导其搜索过程朝着搜索空间的更优化的解区 域移动，因此虽然看起来它是一种盲目的搜索方法，但实际上有明确的搜索方向。上述 这些具有特色的技术和方法使得遗传算法使用简单、鲁棒性强、易于并行化、从而应用 范围甚广。 1 3 低比转数卫生型离心泵研究设计现状 卫生型离心泵主要用途：在食品、医药、化工等行业，主用于输送各类酒、汽水、牛 奶、酱油、食用醋、植物油、医药、化工、助剂、染料、纺织、造纸等液体物料。在食 品行业，离心泵的应用范围最广。这种泵主要用于输送低粘度的产品( 因为其效率随着粘 度的升高而降低) 。这种泵的工作原理是，叶轮借助旋转的叶片使输送介质在叶片通道内 加速，为了通过速度产生压力，应用了离心原理【1 0 1 。低比转数卫生型离心泵叶片具有各 种不同的结构，有开放式、半开放式和封闭式。开放式叶片具有最好的卫生和刷洗性能。 这种泵可以直接用肉眼检查叶片和叶片之间的空间，如果浇铸表面存在材料缺陷，将会 造成极大的染菌风险。此外，开放式叶片能够对表面进行抛光。封闭式叶轮可能会隐藏 铸造缺陷，无法保证有效的刷洗。冲压和点焊的材料制造的叶轮，所出现的裂纹容易造 成细菌附着。为了提高开放式叶轮的效率，叶轮和泵壳之间的缝隙应该尽可能小，推荐 值为0 5 m m 。更小的缝隙没有实际意义，因为轴承间隙和热膨胀本身也需要某一最小间 隙。开放式叶轮比封闭式叶轮产生更大的轴向力。因此，叶轮的背部需要配备平衡孔。 此外，这些小孔可以提高叶轮后面的循环，这样，产品难以附着，有利于c i p 流程的刷 洗( 图l 1 ) 。叶轮可以拧在轴上( 不用固定螺栓) ，从而形成不带缝隙、非常容易刷洗的叶 轮表面。这种解决方案卫生性能最好，具有非常好的泵头曲线。如果叶轮采用叶轮螺丝 固定，螺丝的结构非常重要，不能存在间隙。否则将存在刷洗不够干净的风险，可能导 致产品染菌。此外，必须优化叶轮螺丝的尺寸，保证产品流动的畅通。与产品接触的部 件设计所有与产品接触的表面时，必须保证有效的刷洗，并相应地调整制造技术。泵的 外壳大部分为铸件和锻打件。在有些情况下，这种表面质量足够了，但在大多数情况下 需要进行后续加工，在特殊情况下需要喷丸处理，以保证均匀的加工表面。粗糙度不超 过r a 8 t t m ，大部分可以满足刷洗要求。锻打外壳是最佳解决方案，因为大型泵壳容易在 表面或者表面附近出现缩孔，这在后续加工时可以看出。如果对表面质量提出更高的要 求，可以进行手工打磨或抛光。打磨后，还可以继续进行电抛光。其他与产品接触的部 件，可能需要进行手工抛光。但是，旋转的表面是一个比较均匀的结构，对于刷洗来讲， 1 0 浙江大学硕士学位论文 材料表面的不平度这一参数比粗糙度更重要。总结选择卫生型离心泵时，必须检查泵的 刷洗性能。特别是泵的c i p 刷洗性能，必须保证在刷洗结束时泵内的卫生状况。泵的刷 洗性能，不伤害产品性能，效率和运行保养成本，这就是选择泵的最重要准则。存在问 题叶轮的背部开设平衡孔，虽然对平衡轴向力其了作用，但引起了低压区与高压区的对 流，造成了容积损失，并对泵的内流造成了影响。 图卜1 平衡孔流动示意图 卫生型泵的主要形式有螺杆式泵、离心式泵。其中离心式泵使用的比较广泛。在食品 产品生产中，离心泵的设计是符合严格生产卫生要求的关键因素。由德国p h i l i p ph i l g e 公 司设计的离心泵，以简单的结构概念为基础，保证所有零部件均不会与产品有任何接触， 尤其是产品的密封面，确保中间并无任何间隙；同时，为保证密封材料接触点的压力平 衡，特别以符合卫生和经认可的轴通道或轴封组件组成。轴通道或轴封可设于泵的内部 或外部，而且采用具有冲洗水接头的单端面密封或双端面密封。对于离心泵的结构，其 循环空间不应存有死角空间，以降低因残留物的积存而影响设备的卫生程度。对于排放 口、放气1 ：3 和密封装置等无可避免的死角空间，其深度与宽度的比例值，应尽可能保持 在l 2 之间唧。 德国耐施公司的n e m o 泵，采用绕性联轴杆来工作。 浙江大学硕士学位论文 图1 2 德国n e m o 泵 意大利c s f 公司是世界上著名的卫生泵生产厂家，产品严格按照欧洲标准和国际 g m p 标准制造，产品广泛应用于食品饮料、乳品、啤酒酿造、生物工程、医药以及精细 化工等行业。 图l - 3 意大利c s f 卫生泵 上海旺泉泵业有限公司生产的b a w 型卫生离心输液泵采用1 c r l 8 n i 9 t i 优质不锈钢材 料制造，泵体与电机联成整体，采用机械密封装置，并有不锈钢防护罩，具有结构简单、 外形美观、体积轻巧、耐腐蚀、操作方便、无需安装基础，便于手提。 图i - 4b a w 型开放式泵腔、敞开叶轮离心泵 目前，虽然国内广泛使用的卫生型泵的性能基本能满足要求，但依然存在不少问题 采用目前出现的流场分析商用软件，对新型卫生型泵进行流场分析，能减少生产试验的 1 2 浙江大学硕士学位论文 成本，并得到良好性能的卫生型泵，为国家的经济发展作出贡献。 江苏大学1 16 】【1 - q 针对广州日新公司的两台卫生泵在不考虑平衡孔的影响的情况下，进 行了初步的流场分析，得出半开式叶轮内速度和压力分布，取得了初步的研究结果。通 过得到的压力、速度分布，初步了解了该泵效率的高低，以及死角区域所在。而对于卫 生型泵的整流场分析进行的并不深入，没有可供参考的具体优化方法。 1 4 本论文的主要工作 本文的主要工作共有以下几个部分： ( 1 ) 介绍了离心泵内部流动数值模拟的基本理论和方法，详细阐述了在通用c f d 分 析软件环境下的建模过程和计算过程。介绍了离心泵内部流动的详细计算过程和方法， 以及基于内流数值模拟的外特性预测方法。 ( 2 ) 针对卫生型离心泵实例在全工况下的内部流动进行了全流场数值模拟，给出了 各过流部件的内流场结构，分析了从小流量到大流量工况下的流场变化和外特性曲线， 将全工况下的外特性结果与模型试验数据进行了比较分析，验证了数值模拟的合理性。 ( 3 ) 研究了影响低比转数离心泵水力性能的关键参数，并针对不同结构参数和水力 参数进行内部流动数值模拟和水力性能预测，对关键参数对性能的影响进行了量化的比 较分析。 ( 4 ) 在内流模拟和数值分析基础上，通过基于神经网络的优化设计方法，对关键结 构参数进行优化设计，给出了优化过程和实例。 ( 5 ) 给出了试验验证方法、试验测试与分析程序，并完成了试验系统的调试，为进 一步开展试验研究打下了基础。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章数值模拟和性能预测方法 在数值模拟真实流动的计算流体动力学领域，全三维湍流n - s 方程是描述流体运动 的精确数学物理方程。而对于此方程，要直接求解其湍流运动在目前是不可能的“怫艄 “。这是因为，一方面计算区域要大到足以包含最大的涡，同时，计算用的网格尺寸又 必须足以分辨最小的涡，而目前的计算机内存容量还不足以容许采用如此细小的网格； 另一方面，即使计算网格可以取的足够细小，按目前计算机的运行速度，直接求解全三 维湍流n - s 方程所需要的时间也是不可能实现的。因此目前，平均处理+ 湍流模式求解方 法仍是全三维湍流n s 方程求解的主流。 2 2 实体建