杏彩官方登陆:多级潜水泵的优化设计

　　中国工程热物理学会流体机械 学术会议论文 编号：117072 多级潜水泵的优化设计 浙江理工大学流体传输及应用实验室杭州 310018 Tel: E-mail: 摘要：本文以效率为优化目标，针对采取后倾斜式叶轮并配备空间导叶的多级潜水泵进行优化设计。 首先对后倾式叶轮和空间导叶参数化进行参数化拟合，而后选择控制参数并给定范围，最后在不断进行流 场校核的基础上采用遗传算法寻找目标函数的最优值，得到最优的叶轮模型。数值模拟的结果表明优化后 的水泵效率提高了7.34%，拓宽了水泵的高效区，提高了水泵的运行稳定性，泵的性能得到了优化。 关键词：后倾式叶轮；空间导叶；遗传算法；效率；优化设计 前言 目前，我国井用潜水泵技术整体上还落后于国外，近年来针对井用潜水泵的系统研究如 水利部件优化等则几乎处于停滞状态，比较普遍的现象是生产厂家对产品略加改造来满足市 场需求。并且在潜水泵的水利设计中大多采用常规设计，对井用潜水泵的参数选择主要取决 于设计者的经验和水平，带有一定的经验性。设计人员常把井用潜水泵当做一般的多级离心 泵来设计，往往参照各种离心泵的优秀模型来设计叶轮，结果单级扬程和水泵效率都降低了 许多。因此，有必要对井用潜水泵展开数值模拟与优化设计分析。 潜水泵叶轮的优化设计，就是从泵的使用性能为出发点，将流动的基本原理、优化设计 的理念、计算流体力学和泵的设计有机结合起来，在不同的流场环境中寻求其水力性能和 几何参数之间的最佳平衡点，以保证泵在满足性能指标要求的前提下综合性能最佳。 本文针对采用后倾斜叶轮与空间导叶的潜水泵模型为基本模型，采用效率为目标函数， 利用遗传算法与人工神经网络对潜水泵叶轮进行优化设计，提出最优的叶轮模型，并对优 化前后的潜水泵进行数值模拟和性能预测。 1、几何模型 本次优化对象为采取后倾斜式叶轮并配备空间导叶的潜水泵，其流量Q=36 扬程H=6.6m，转速n=2850r/min，叶轮叶根处进口角β1=22.73 ，叶轮叶根处出口角β2=44.67 ，导叶叶根处进口角β3=22.59 ，导叶叶根处出口角β4=79.33 为后倾斜式叶轮的结构示意图，图1（b）为安装的空间导叶示意图，图1（c）为叶轮及导叶的三维网格图。 (a)后倾式叶轮 （b）空间导叶 （c）三维网格图 潜水泵叶轮、导叶结构示意图及三维网格图2、潜水泵数学模型 2.1 控制方程和湍流模型 本文控制方程采用雷诺时均Navier-Stokes 方程，其通用表达形式如下： 为无粘性通量与粘性通量；U为待求解守恒变量；Q 为源项，包含了 离心力和科氏力的作用。 湍流模型选用鲁棒性非常好、计算消耗少的 Spalart-Allmaras 一方程湍流模型。与 Baldwin-Lomax 代数湍流模型相比，Spalart-Allmaras 模型湍流漩涡粘性区是连续的；同 两方程模型比较，Spalart-Allmaras模型计算稳定，而且CPU 和内存空间使用很少。 求解时采用时间推进法计算流场中的各流动参数，离散格式采用中心差分格式。为了提 高计算效率，采用多重网格法、当地时间步长和残差光顺等加速收敛措施。 2.2 边界条件 计算区域的进口边界上质量流为均匀连续分布的边界条件；在计算域出口边界上假定出 口静压力；固壁边界为绝热条件，叶轮出口与导叶进口进口之间中间截面为动静转子面。 临近固壁区域采取壁面函数，并假定叶片表面、前后盖板等固壁均为无滑移，绝热壁面边 界条件。 2.3 计算网格生成 潜水泵的后倾式叶轮和空间导叶具有较强的三维性，几何形状复杂。采用全六面体结构 化网格，并在叶轮进出口固壁等位置进行适当加密，以准确捕捉潜水泵过流部件关键部位 的流场分布情况和变化过程，这样可最大程度的保证计算精度。 在后续优化过程中，针对叶片几何参数进行修改得到新的几何模型，为了防止出现网格 节点数不同出现网格质量太差计算精度不能保证的情况，后续所有新优化样本的网格将严 格按照原始网格的节点分布规律进行网格生成，进而保证所有优化样本的网格拓扑结构完 全一致。单级叶轮单个周期的叶轮、导叶网格节点数约为75 万。为了提高计算效率、加速 收敛速度，采取多重网格技术。叶轮和导叶前缘、尾缘和壁面附近的网格均有加密。 3、优化策略 3.1 叶轮的参数化 将原始模型的叶片形状等几何全部用参数方程表示出来，而且需要保证参数化后的模型 几何与实际相差无极，从而保证后续优化确实是在原始基础上进行。对原始模型初始叶型的 参数化主要针对子午线 所示，在子午面选定R 方向上的高度分别为 0%，10%，30%，50%，70%，90%和100%的7 个流面进行参数化造型，以保证参数化后的叶型 与原始叶型相同。参数化后，通过比照参数化前后各个参数点坐标数值，可发现误差小于 10 -4 ，即可认为参数化叶型与初始叶型完全吻合，可以满足后续优化需求。 （a)流面示意图 （b)叶片流面1 叶轮叶片参数化叶型3.2 优化参数的选择 优化参数既是设计时待定的参数。优化参数越多，设计自由度就越大，达到最优设计目 标就越容易，但是同时也会大大提高优化数学函数的维数，增加优化计算的难度和计算时间。 叶轮的几何尺寸主要包括进口直径、出口直径、叶轮前后泵盖的后倾角度以及叶片的进 口角、出口角、进出口宽度以及叶片数等。考虑到井泵受到井径的约束，将不改变出口直径； 为保证配套功率，保持轮毂直径不变，即叶轮进口直径不变；同时为减少目标函数维数，降 低优化设计求解难度和计算时间，将也不改变叶轮前后盖板的倾斜角度。本次优化将同时对 叶轮进口角、出口角和叶片数以及空间导叶的进口角、出口角、叶片数这6 个参数进行优化。 3.3 优化参数的设计约束与目标函数 在优化设计中，设计变量不仅在设定范围内变化，而且各变量之间还必须满足一定关系。 所以由设计变量组成的N 维变量空间虽然是所有方案的集合，有些方案并不符合实际。在优 化设计中，其优化过程的运算必须是在可行区域内或者逐渐逼近可行区域的边界，最终优化 结果的设计方案一定是落在可行区域内或边界上，否则结果无效。 针对本次优化的目标函数为效率，即在兼顾潜水泵其他特性参数的前提下提高效率。 3.4 多级潜水泵数值模拟级数的选择 多级潜水泵与单级泵相比，结构形式复杂，流动特性也与单级泵有所区别。在多级潜水 泵的内部流场运动中，首级叶轮进口为自由进口，无预旋，但其后各级叶轮进口均为有旋流 动。国内学者研究结果表明，多级泵中第二级泵的内部流动状态与其后各级泵的内部流动状 态大致相同，可以用第二级泵的水力性能代表其后各级泵的水力性能。考虑到级数增加后所 带来的网格总数的递增，为了减少计算时间和优化时间，选取两级泵来进行研究，取第二级 泵作为水泵优化的原始模型进行优化设计。 3.5 本次优化方案 本次优化采用了基于近似函数技术的优化策略。通过人工神经网络可以仿真出各个设计 变量参数对目标函数的影响因素，通过数值优化算法优化出最优的几何参数，并且通过求解 器进行验算。 潜水泵的叶轮和导叶的初始叶型经过拟合后产生用以优化的参数化叶型；再根据优化需 要给定控制参数，本文中将针对叶轮进口角、出口角和叶片数以及空间导叶的进口角、出口 角、叶片数这6 个参数进行优化；利用参数化叶型和控制参数生产具有代表性的初始样本数 据库；采用人工神经网络的近似函数法构建近似模型；以提高效率为优化目标，根据优化算 法预测出效率最高时的几何变量，对预测的最优叶型进行流场校核，然后将新的CFD 计算结 果补充到数据库中；在新建立的函数上预测新的最佳值并再次进行CFD 分析校核，如此往复 循环使得样本数据库中的样本数随着优化次数的增加而增加，从而使神经网络的仿真结果越 来越好，直到相应的控制参数收敛在某个具体值上之后，认为优化过程结束，并得到较好的 优化方案。为了保证优化方案为全局最优结果，而非局部最优，本次优化的算法采用的是基 因遗传算法和随机漫步。 4、优化设计结果与分析 4.1 最终优化方案 本次优化设计的最终优化方案：叶轮叶根处进口角β 4.2原模型内部流场分析 图3（a）和图3（b）分别为原模型叶轮和导叶中间流面的相对速度流线(b)分别为原模型叶轮和导叶中间流面的静压力系数云图，静压力采用无量纲系数--静压力系数 Cp 表示，其中 为离心泵进口静压力（Pa）， 为流体的密度（ 可以看出，流体在原模型内总的流动趋势良好，流速分布和静压力分布较为均匀合理，相对速度和静压力均沿着叶轮进口到叶轮出口方向逐渐增大，但在叶轮进口附近 有撞击损失，在叶轮进口处相对速度分布出现了漩涡，叶轮进口处静压力分布出现相对低压 区，叶轮进口处部分流态不够稳定，且出现了漩涡；在导叶叶片进口吸力面处静压力分布出 现相对低压区，导叶叶片进口吸力面附近流态不够稳定。综上所述，叶片与导叶的叶片形状 需要改进。 （a）原始叶轮相对速度流线图 （b）原始导叶相对速度流线图 原始模型相对速度流线图（a）原始叶轮静压系数云图 （b）原始导叶静压系数云图 原始模型静压系数云图4.3 改进后模型的内部流场 图5（a）和图5（b）分别为改进后模型叶轮和导叶压力面中间流面的相对速度流线（b）分别为改进前后叶轮和导叶压力面中间流面流体相对速度分布图，图8（a）和图8（b）分别为改进前后叶轮和导叶压力面中间流面静压图。 比较优化前后的相对速度流线图可以看出，优化后叶轮相对速度分布比较均匀，叶轮进 口附近水流撞击损失基本消失，没有出现漩涡现象，且叶轮进口处速度分布有了明显改善， 说明改进后的叶型更适合水流的流动特性。 相对速度分布可以看出，在叶轮进口处改进后的叶轮相对速度提高了2m/s，并且改进后叶轮内部速度增加趋于平缓，可见改进后叶轮内的流动更加平缓稳定；在改进后导叶 内部相对速度分布与原模型内部流动相对速度呈现出大致相同的变化趋势，且改进后导叶的 进口速度要比原模型大的多。可见优化后模型更适合水流的流动特性，在一定程度上提高了 叶轮和导叶的过流质量。