多目标优化设计和实验调查轴流泵与正交试验方法

文摘

多目标优化技术的基础上,计算流体动力学(CFD)模拟和正交试验,提出了减少压力脉动。三个级别的四个著名的性能因素l₉(3⁴)被认为是在正交试验方案:刀片的数量,叶片安装角、中心比,和叶片和导叶之间的距离。评价指标与头部、效率、轴功率和压力脉动。一个最优配置₂B₁C₂D₃后通过综合频率分析方法,直观和范围分析。与可行的模型相比,新设计的头和效率增加了17.8%和4.26%,而轴功率和压力脉动系数降低了1.22%和11%,分别。实验进行优化的泵与CFD模型是一致的。六个不同转速条件下的最优操作点数值计算为了探索内部优化的轴流式泵的水力特性。验证,综合频率分析方法基于正交试验的方法是有效的多目标优化的轴流泵。

1。介绍

泵是一种广泛使用的机械与通用应用程序几乎占世界上22%的能源消耗,电动马达(1- - - - - -4]。轴流水泵、主泵类型应用于低扬程和流量大泵站,吸引了越来越多的关注在田间灌溉和引水项目(5- - - - - -7]。轴流式泵的内部流动是三维复杂流场产生的压力脉动,从而影响设备的稳定性(8,9]。因此,提高泵效率与稳定具有重要意义,以满足全球节能和安全操作的目标。

尽管存在一些方法为目的的泵和叶轮的多目标优化设计,程序使用计算流体动力学(CFD)仍然是最受欢迎的方法(10- - - - - -12]。这些项目,由高性能计算机时,不仅可以预测泵的运转也流场上游和下游的泵13- - - - - -15]。例如,Zhang et al。16验证CFD模型,用于优化水下推进器操作在一个氧化沟。结果表明,CFD模型能够描述流模式和能源消耗的全面氧化沟。同样,Shojaeefard et al。17)模拟3 d流泵以及蜗壳的CFD方法,在不同情况下的通道宽度和叶轮的出口角。所示的泵性能改善的修改原始几何因为减少损失的通道和叶轮的出口。Asuaje et al。18)进行了三维流动模拟通过CFD工具基于叶轮的性能。斯宾塞和Amaral-Teixeira19]介绍了CFD方法的分析性能特征的几何变化。几何的建议提出了减少振动,提高组件通过减少压力脉动。逃离和Bohle20.]研究了叶片数的影响在不同的泵的流动特性和性能CFD模拟和实验。结果表明,叶片的数量有重要影响叶片之间的流通速度和流角度和侧通道。杨et al。21)数值研究可调导叶对泵性能的影响与七种不同的可调角度。结果表明,泵的水力效率可以大大提高了调整导叶角,以减少流动分离。侯et al。22)选择叶片安装角的几何参数设计离心泵。发现最佳的泵有一个提高效率。一项研究提出了轴流泵性能改进的公园等。23),中心提示比率的影响研究设计导向叶片,相比,提高了泵的性能与原模型。刘等人。24]研究了离心泵性能通过扩展轴向距离280 mm - 460 mm使用实验和CFD仿真。结果表明,轴向距离对压力波动有显著的影响。博et al。25描述了一个混流泵的参数化设计。CFD分析用于评估不同的叶轮和扩压器的水动力性能的几何构型。一个好的协议被发现实验结果和数值模拟。指出参数研究提供一个设计准则,能找到最优折衷的过程中泵的设计。

正交试验是一个有用的和统计方法使用代表参数配置来达到快速优化过程(26- - - - - -29日]。它是由伯恩30.),扮演着一个很重要的角色,有效的泵的设计。徐et al。31日]介绍了正交方法设计一个高效、低成本的离心泵。一个正交表指定L16成立,16个人的刀片使用5参数生成。离心泵是建议,有一个比原来更好的效率和汽蚀性能。(周等人的研究中32),使用16个叶轮和泵设计5主叶轮几何参数;泵效率和最佳的泵与原泵相比有一个显著的改善。王等人。33)建立了叶轮的三个因素之间的函数关系,通过二次回归正交试验的效率。三个因素包括叶片叶轮出口宽度、叶轮叶片出口交错角和叶轮出口的斜率。结果表明,正交试验是一种有效的方法来改善不锈钢冲压多级泵的效率。施等。34)设计16方案有关的段落不同流动条件下的正交试验探讨轴流式泵装置的水力性能。结果表明,进口和出口通道的优化方案可以通过正交试验的方法。

从上面的文献综述可以看出,CFD是一种可靠、方便的方法来优化泵效率,和正交试验泵优化的一个可靠的和有效的方法。目前,大量的努力已经由研究人员预测泵的整体性能,和大多数这些研究主要集中在泵效率和功率优化指数而不是泵的压力脉动与稳定。事实上,压力脉动会导致危险的后果对泵可靠性可能最终导致设备故障。压力脉动还并不被认为是正交试验的优化参数方法在之前的研究中,并没有研究报道轴流泵的综合频率分析方法的优化。因此,它是至关重要的提高轴流泵的稳定性考虑到流量,头,轴功率,以满足设计要求。

在本文中,我们提出一个几何优化技术来减少压力脉动,提高轴流泵的整体性能,基于CFD方法和正交试验的实现方法。四个因素影响泵功能考虑在内,即叶片,叶片安装角,中心率、叶片和导叶之间的距离。参数分析的流量、头、效率、轴功率和压力脉动。最后,四个设计参数,以及一个最佳泵,通过综合测定频率分析方法。实验验证方法,和六个不同转速条件下的最优操作点数值计算。

2。正交试验理论

2.1。正交试验的方法

传统的优化方法主要是用于转换多索引为单指标模型分析。法的目的是测试一个特定因素的影响在整个结果,获得最优配置的视图的性能水平(35]。然而,巨大的工作量时,当综合测试包括许多水平的组合。总的来说,传统的综合测试方法被认为是费力和低效的36]。相比之下,正交试验方法使用正交表来分析和安排多因素试验(37]。在这种方法中,只有一些被选中代表整体水平的因素组合,称为局部测试。这个程序允许一个正式的解决方案被发现,因此需要更少的工作量比全面的测试方法。

正交试验的基本过程是显示在图1。它由的设计方案和测试结果的分析。

本文四个因素的影响和重量被分析泵的性能。这些包括叶片的数量(因素),叶片安装角(因子B),中心率(系数C),和叶片和导叶之间的距离(D)因素。测试计划的数量是9,每个因素的水平组合为3,因此l_n(一个^b)=l₉(3⁴)。表1轴流泵的参数细节。

一系列分析方法采用澄清对泵性能的因素的重要性。的因素k_我是测试索引对应的总和我杠杆在一定因素,其平均得分是命名为K_我,同时R_盎是每个因素之间的范围,反映了每个因素的最大和最小值之间的差异的水平。的价值就越大R_盎越大,对测试的影响指数(34]。

2.2。正交试验方案的确定

表的数值设置2表极为相似1,通过使用l₉(3⁴)。叶片泵的径向变异(Φ)如图2。的相对半径(r/R)被定义为部分的半径(r)到刀刃半径(R)。

3所示。数值模拟

3.1。仿真的方法

轴流泵的流动是高度动荡,和最常见的工具模型的解决方案是通过Reynolds-averaged n - s(跑)方程1]。给定的方法大大节省计算资源,与其他方法相比,如大涡模拟(38]。跑方程使用速度和压力的雷诺分解如下: 在哪里是速度,是空间坐标,的压力,是流体密度,动态粘滞度,是指外力张量, 是应变张量的平均速度。狄拉克函数= 1否则,等于零。雷诺应力解决了使用闭包跑方程湍流模型。的SST(剪应力运输)模型提出的表示“状态”(39),结合最好的标准和湍流模型。风场模型执行更好的逆压力梯度的应用程序中发生,所以本研究采用(40]。

3.2。边界条件和网格细化研究

最初的轴流泵江都市1号泵站已经经营多年,众所周知,实际操作模式总是偏离设计条件。计算域包括elbow-type进气通道部分,叶片、导叶、虹吸出口流部分,和出口弯曲,如图3。基本参数如下:设计流量问= 298.6 L / s,头H= 6.8 m,转子的转速n= 1461 r / min,刀片的数量Z= 4。一种改进的设计提供了设计流程问= 328.5 L / s,一头H= 7.8 m。

ICEM CFD软件被用来获得计算域的网格(14]。采用非结构化网格由于其强度适应性的复杂和不规则的几何形状。在叶片和导叶片的领域,非结构化网格与棱镜用于近似流道和导叶的几何形状。的y⁺的无量纲墙距离泵附近网格细胞表面,是在30到200年,一系列足够足够捕捉表面附近的湍流。

Ansys只被用来模拟整个流道的九个测试计划(16]。为了转移之间的数据接口,动静接口设置为转子冻结界面的稳定计算和Transient-Frozen转子/定子接口不稳定计算。造成的损失小差距的泵体和叶轮被忽视了。质量流量和自由出口边界条件被用来描述进口和出口流量,分别。

非定常模拟,在每个时间步长叶片旋转3度。周期性的行为获得的八个完整的旋转。四套压力脉动监测点设置在叶片和导叶片获得轴流式泵内的压力脉动信息,如图4。最后两个周期的仿真的结果被作为压力脉动的数据分析。压力脉动系数(C_P了描述压力脉动特征: 在哪里C_p压力脉动系数,P_我指监控的压力点,P_avc旋转周期内的平均静压。

表3显示了三个网格密度粗、中、细水平表4说明了评价指标的变化。众所周知,通常网格密度较高的情况下获得更好的模拟结果。然而,罚款和介质网格之间的差异小于2%,可以忽略不计。因此,介质网格使用考虑计算精度和所需的资源。

4所示。结果与讨论

九个测试方案模拟的结果通过CFD设计流量如表所示5。

每个数据直观地分析了单指标方法,其次是分析范围。最后,综合频率分析方法被用来获得优化的水平。

4.1。直观和范围分析

流量是一个工作参数属于不同的指定索引效率和压力脉动的评价指标。我们的目标是提高效率和减少压力脉动。头属于标准指数,因此,只有计划与会议负责人则能起到非常有效的优化过程。根据表中所示的结果5,1号,2号,3号,5号,6号和7号测试计划不符合要求的条件设计流量,因此,他们被确定为nonoptimal模型。

最优测试方案,考虑到指标的头,4号(A₂B₁C₂D₃),与之相比,效率指数9(一个₃B₃C₂D₁),轴功率的8号(A₃B₂C₁D₃),压力脉动系数的4号(₂B₁C₂D₃)。

正如上面提到的正交试验理论的一部分,应用范围分析澄清意义水平评价指标上的四个影响因素。k_我计算的总测试指标对应我杠杆同时K_我表示平均值。R_盎的最大和最小值中减去吗K_我(表6和7)。

验证四个因素影响程度的评价指标,视觉比较因素之间的水平和评价指标。中描述了这种情况下的数据5(一个)∼5 (d)。

观察到,叶片数的增加导致更高的头,C和效率达到顶峰₂。轴功率是成正比的流量和头部,增加叶片的轴功率的增长数字,显示在图5 (c)。叶片的数量(因素)对级联可靠性有重大影响,但有点影响泵的其他结构。因此,每个叶片上的载荷将减少更多的叶片,从而提高跑步者周围的流型,从而增加轴功率(41]。

的流通速度Γ的计算公式:Γ= ,在哪里是圆周速度。为了获得相同的每个部分的叶片,叶片的速度的发行量已经是一样的在不同的径向方向,和半径r,倒生的循环速度 。因此,叶片安装角(因子B)附近的中心比外缘的叶片,叶片扭曲严重。基于数据5(一个)- - - - - -5 (d),从B因子水平变化₃B₁的显著增加,导致头和轴功率和轻微的减少效率(2%)。通过减少每个部分的叶片座位角,叶片的扭曲程度降低,提高了输出功率。

如果因素水平的中心比(C)因素变化从0.45到0.49,头部,效率,和轴功率增加和减少低水平,达到C₂。中心比越小,小的水力摩擦损失和泵的流量就越大。然而,产品将会增加叶片的扭曲,无序流动模式,降低泵的效率。中心率有重要影响叶片周围的流型,因此,它是一种重要的几何参数液压轴流泵的设计和优化。

叶片和导叶之间的距离(D)因素是决定根据公式 D_h,在那里D_h叶片的直径(17]。从数据我们可以看到5(一个)- - - - - -5 (d),D有较小的影响因素评价指标,与因素相比,B和c的增加叶片和导叶之间的距离,头部和轴功率增加单调和效率增加然后减少在更高的水平。

通过上面的范围分析,优化测试方案可以获得如下:测试方案与最佳指数的头₃B₁C₂D₃效率是一个₃B₃C₂D₂,轴功率的₁B₃C₃D₁,压力脉动的₂B₁C₂D₁。另一方面,计算结果的范围R,其影响从最大到最小的头是一个> C > B > D,而不是效率的C > B > A > D,轴功率> C > B > D,和压力脉动的C > B > > D。

4.2。综合频率分析

这四个评价指标是同等重要的。表8总结了三个层次的结果对应的四个因素,根据测试计划获得的直观分析和测试计划获得的分析范围。

表8显示了一个₂和一个₃发生频率最高(3/8)。对系数B, B值₁和B₃(1/2)和系数C, C₂(3/4),同时系数D, D₃(1/2)。因此,初步成为一个最佳的测试方案₂/一个₃B₁/ B₃C₂D₃。

泵的具体速度估计方程(4),是具体的泵的速度。因为从节4.1,增加叶片的数量对应于特定的速度低和anticavitation泵的性能。因此,一个因素的水平₂较低的叶片变得适合模型:

同样,杠杆B的一个因素₁采用较小的叶片座位角,严重变形的基础上,应用于叶片和较高的叶片的材料和生产工艺的要求。

从上面的综合频率分析,是确定最优测试方案₂B₁C₂D₃,使用四叶泵的叶片座位角B₁,中心的比率0.47,叶片和导叶之间的距离263 mm。

4.3。优化泵的性能

优化的测试方案₂B₁C₂D₃,对应方案4的设计流程问= 328.5 L / s,进一步验证在这一节中。

第一个两个模型之间的主要区别与叶片周围的流线和指导有关叶片叶片高度的一半。观察图6流动不均在原来比优化泵,导致大的水力损失。此外,两个大型漩涡形成的原始的导叶,优化泵相比几乎没有。第二个区别与高压中心附近观察到原始的叶片;这几乎消失在优化叶片表面,如图7。

关于压力脉动,C_p增加逐渐从中心到叶尖与周期性趋势,和的最大系数三次中心的显示在图8(一个)。从图8 (b)流动,叶片的出口是受静叶片和导叶片的相互作用。压力的峰值频率七倍的峰值频率引导叶片,这是与导向叶片的数量一致。正如所料,压力脉动的振幅增加从中心到技巧,达到一个相对高值的频率旋转的四倍。

总之,优化轴流泵能够满足流量和头部的要求。根据新的设计流量,泵效率从74.33%增加到78.59%,而轴功率减少从20.54 kW至20.29 kW。此外,压力脉动系数的绝对值减少了11%。发现可用的综合频率分析是一个多目标优化的方法。

4.4。对比实验和仿真

测试验证方法,在优化模型中进行了河海大学的多功能试验台。图9展示了三维水力机械多功能试验台的原理图。试验台是一种垂直封闭的循环系统,包括尾水箱,水箱的压力,测功器电机,扭矩计。测试使用相等的方法,进行了价值的原型与模型相同。通过分析测试误差,这个测试的总误差±0.27%,满足规定的标准测试。

轴流泵装置的物理模型如图10。叶片被数控机器用铜材料制造。确保连接部分的内部墙壁光滑,入口和出口通道与钢板焊接。模型泵装置的规模1:5.844。

为了消除自由气体和空气泡沫系统中,泵是在额定条件下,经营了超过30分钟录音之前。泵的性能在一定的叶片安装角条件下考察了没有空化。测量点合理分布在整个性能曲线。的数据流量、头、旋转速度、和轴功率同时获得和处理,当参数保持稳定一段时间。

图11显示之间的外部特征的比较数值模拟和实验结果。头部和模拟的效率略高于实验测量,当流量小于设计流量。头和效率的最大误差是4.6%和3.2%,分别。小错误可能是由于轴承和密封环之间的摩擦损失,以及由于手动调整叶片的螺旋角。头部和效率的数值模拟与试验结果的变化一致,最大误差不超过5%。它表明,数值计算模型和方法本文采用有良好的性能预测轴流泵的外部特征。

综合特性曲线的轴流泵模型是基于实验测量。如图12,优化泵模型有一个广泛的高效区域。设备模型的最大效率为78%,与相应的头部和叶片放置7.52和0°角,分别。很明显,泵的叶片位置角0°是能够满足需求在设计点。

4.5。泵转速下的性能变量

六个不同转速条件(n,0.9n,0.8n,0.7n,0.6n和0.5n)最优操作点进行了研究探索内部优化的轴流式泵的水力特性。

4.5.1。流道的水力性能

为了分析转速的影响在入口的通道,水力损失导流叶片,和出口,水力损失系数K_p介绍阐述这三个部分之间的水力损失的比例和泵设备的负责人。系数定义如下: 在哪里水力损失和吗δ表明不同旋转速度之间的水力损失的比例和额定转速1461 r / min。表9显示了段落的水力损失变量转速,以及泵效。

从表9在额定转速,进气通道的水力损失比例,导流叶片通道,和出口通道是最小的,而液压叶片是最高的93.58%。在不同的旋转速度,水力损失比例K_p随转速的降低。显然,泵效率较低的减少因为速度影响流通速度和旋转速度入口段的水力损失,导致流偏离理想的条件,从而提高影响的损失。

入口部分的水力损失的比例是最小的,当导叶部分的是最大的在每个泵的水力损失比例部分。转速的变化对导叶部分影响最大的,和相应的水力损失为0.5n额定转速的1.0745倍。相比之下,出口通道最小的水力损失,额定转速的1.043倍。这些差异可以合理的部分中使用的固定后导叶轴流式泵的水力设计。在设计条件下,运动员出口的气流角等于进口导叶的位置角;因此,损失的入口导叶的影响是最小的。

4.5.2。水力性能的叶片进口和出口部分

图(13日)描述了叶片的进口部分的轴向速度的差异对六个旋转速度。可以看到,轴向速度减少从尖端到中心,这种变化趋势与旋转速度基本上是相似的。轴向速度的变化对桨叶截面最大的枢纽和提示,和最小,中间部分的叶片。速度循环(图13 (b))增加沿径向方向,根据 ,在哪里一个点的半径在桨叶截面; ,中心的半径;和R叶片的半径。顺利流通速度增加时变化从0.2到0.85,但时显著上升变化从0.85到1。这种相关性可以归因于的小型和大型叶片安装角中心提示,分别导致更大流量循环通过叶片的外边缘,从而改善anticavitation泵的性能。

图14比较的轴向速度和速度环量分布六个转速条件下叶片出口部分。一个单调上升趋势从中心到末端和低到高速度与速度。相比速度循环在叶片进口部分,增加叶片出口速度环量的部分明显由于叶片旋转和转速成正比。

5。结论

这项研究的目的是确定四个相互关联的泵的影响因素,对泵的稳定性和效率。获得这一多目标优化设计方法的基础上,采用正交试验。区间分析的结果显示,导流叶片和叶片之间的距离(D)因素和中心率(系数C)至少和最有影响力的指标,分别。一个最优配置₂B₁C₂D₃后获得的综合频率分析方法,直观和范围分析。

为了理解如何设计效率的影响,比较叶片绕流和引导叶片之间的两个模型。一般来说,两个部分是层流的流动的优化比原泵泵,导致水力损失更少,效率更高。此外,中心附近的高压建立原泵的优化设计几乎消失了。在设计点,优化轴流泵能够满足要求的流量和头部。与可行的模型相比,新设计的泵效率增加了4.26%,而轴功率和压力系数降低了1.22%和11%,分别。

泵头的模拟和效率被发现与实验结果一致,误差小于5%。结果进一步证明了方法的有效性。

一般来说,减少啤酒水力损失引起的转速比和较小的叶片效率。叶片进口部分的水力损失的比例是最小的,和导叶的水力损失之间的最大比率每个泵的部分。转速的变化对导叶部分影响最大的。相比速度循环在叶片进口部分,增加叶片出口速度环量的部分明显由于叶片旋转,这是成正比的转速。

数据可用性

优化泵的参数数据用于支持本研究的发现尚未提供,因为它是一个重要的项目涉及保密的问题。

附加分

结合CFD方法和正交试验提出了优化泵流的特征。通过综合频率分析方法确定最优参数。压力脉动被认为是轴流泵的优化参数。

信息披露

抽象的手稿已提交一个口头报告第二IAHR——亚洲研讨会上液压机械和系统。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

沿河徐翻概念化的研究;玉泉张开发方法论;Aoran太阳负责软件;玉泉张和大肠Fernandez-Rodriguez验证数据;郑元执行正式的分析;沿河徐翻和玉泉张参与调查;沿河徐翻负责资源;玉泉张和大肠Fernandez-Rodriguez准备初稿;春夏之际杨和王爵审查和编辑手稿;郑元监督研究; Yuquan Zhang and Yanhe Xu were responsible for funding acquisition.

确认

以下资金支持的研究项目:国家自然科学基金(51809083)、江苏省自然科学基金(BK20180504),中央大学(没有基础研究基金。2019 b15114),中国博士后科学基金会(2019 m651678),江苏省水利科技项目(2018026)。

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