混流泵叶片优化设计

方案对提高混流泵性能、降低混流泵运行时产生的噪音与振动和提高机组的安全稳定运行提供理论支撑，为今后混流泵的优化设计奠定了一定基础和为企业提供了一套完整的混流泵的优化设计理论和方法。

1.叶轮参数化造型

叶片参数化在自动优化中是极其重要的一步。自动优化中可以选择参数化叶片中的各自有参数进行优化，并以初始参数化叶片为模板进行叶片几何造型、网格划分、流场计算等。一般在优化设计中，叶片参数化拟合需要一个初始叶片为模板进行拟合，所以首先要根据已有参数设计出一个叶片，然后对叶片用参数化方法去表达，通过对端壁型线、流面控制线、堆叠规律和翼型型线的控制来参数化叶片。

在旋转机械中，可以将叶片角作为可变自由参数，前缘到尾缘的叶片角能很TP唐健.TIF；%30%30；Z5mm，YTS（JZHT7.H图1TS）

大程度上影响泵的性能。之前的研究表明叶片的厚度对泵的水力效率影响不大，所以在本文的参数化拟合中，初始叶片的厚度设置为不变，同样轮缘和轮毂的子午面和出口直径也保持不变。本文所研究的叶片参数化造型拟合分为两步完成，分别是初始参数化拟合和二次参数化拟合。参数化后模型如图1所示。

2.性能分析

2.1网格划分。为了提高数值模拟的计算速度和优化过程中有效样本的数量，首先在划分网格时，就采用了多重网格技术。多重网格方法是提高计算效率、加快收敛方面的一个非常有效的方法。确定叶轮转速为490r/min、叶片数为6、叶片展向节点数为43和边界层网格单元大小，完成网格的制作，划分得到的叶片网格数为607469。

2.2边界条件设定。边界条件是指流体在运动或静止的边界条件上给予的确定性条件，所以边界条件的参数直接影响了求解过程和得到的结果。对导叶式混流泵进行数值模拟，流体介质为清水，密度为997kg/m3，边界条件设置如下：（1）进口边界条件：静态温度为293K，湍流粘度为1e-6m2/s，叶轮进口采用速度进口，速度方向垂直于叶轮进口。出口边界条件：静压出口。并选择出口回流控制。（2）壁面边界条件：壁面为无滑移边界，近壁区流动采用壁面函数法处理。叶轮轮毂和轮缘是旋转壁面，旋转速度490r/min。（3）湍流模型与收敛精度：一般地，残差越小越好，由于存在数值精度问题，不可能得到理想的0残差。一般情况下，由于网格质量问题、边界条件设定问题和湍流模型的选择问题，可以认为残差在1e-4以下便可认为收敛。只有在完全收敛的条件下才可相信计算所获得的结果。当全局残差达到收敛精度时，还要看各块中残差是否完全收敛。本文全局残差设为1e-4，最大计算步数设为2000。JP

2.3数据库生成。优化是基于近似函数方法以及优化算法为基础展开的，因此进行优化之前需要为优化过程提供有限数量的样本，包括叶片几何参数和叶轮流动参数。优化的自由参数选择5个流面上叶片的进出口安放角（β1和β2）、叶片前缘半径R和叶片数N，共16个自由参数，生成数据库样本。

2.4叶片优化。叶片优化采用人工神经网络和现代优化算法相结合的方法进行单目标优化，利用人工神经网络的自动学习功能，得出优化参数和目标之间的映射规律，从而大大提高优化效率。通过人工神经网络算法找出输入量（优化参数）和输出量（优化目标）之间的映射关系。在输入和输出层之间的隐层设定为3层。为了保证优化目标的全局最优和加快计算收敛速度，本文优化算法选择遗传算法。设定初始种群为40，种群重新生成循环次数为20，样本生成数量为20。设定效率为目标，期望值为88%。在设计工况下叶轮优化前后的参数对比如表1所示。

3.优化前后对比分析

叶轮是混流泵的核心部件，其设计的好坏对混流泵性能有着重要的影响。针对混流泵叶轮的内部流动特性，从相对速度和静压力分布两个方面，分别计算了混流泵优化前后0.6Q，1.0Q，1.4Q三个工况下的流场情况。优化前后叶轮的流场计算如图2所示。

唐健2.TIFTS（JZHT7.H图2叶片表面静压分布TS）KH*2

通过优化前后叶轮的流场计算分析可以看出，在小流量工况下，初始叶轮进口低压区分布较宽，优化后的叶轮虽然也存在低压区，但是低压区的范围较初始叶轮明显减少，优化后的叶轮能在小流量工况下改善叶轮进口压力，从而提高叶轮进口抗空化性能，且静压梯度变化较初始叶轮相对平缓，有利于改善叶轮中压力波动情况。图2中（c）和（d）同样可以得到混流泵在设计工况下，优化叶轮较初始叶轮在进口低压区和静压梯度变化有所改善。从图（e）和（f）中可以看出，在大流量工况下初始叶轮进口低压范围广，而优化后叶轮进口低压明显减少，这是由于优化后叶轮压力面和吸力面曲率发生了变化和叶片头部曲率半径发生了改变，使液流经过叶片时，减少了脱流和二次流等情况，改善了叶片压力梯度的分布。通过叶片静压分布的分析，得出优化叶轮可以提高叶片表面压力梯度的分布和减少叶片进口低压的分布。JP

4.结果分析

本文首先根据设计参数设计出混流泵叶轮，通过对初始叶片进行参数化拟合，得到了自动优化需要的参数化叶片。采用遗传算法针对叶片的相关控制参数进行了优化设计，通过优化前后叶片的对比分析得到了优化后的模型比优化前在性能方面更好，为以后在叶轮这方面的优化设计提供了一定的参考。（作者单位：西华大学能源与动力工程学院）

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