基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题及其优化研究

摘要

近年来，随着离心泵内部流动数值计算技术以及流场测试技术的不断发展，离心泵正问题的研究取得了十分丰硕的成果。但离心泵反问题及其优化的研究进展缓慢，主要是因为离心泵内部流动为复杂的三维湍流流动，加上内部流道形状复杂，难以参数化表示以及旋转坐标系等因素的影响。针对目前离心泵叶片反问题及其优化难以进行，本文的工作主要围绕离心泵叶片反问题方法及其优化进行，提出一种离心泵叶片反问题方法，并以此为基础进行叶片优化设计。主要工作和成果如下：
　　1.提出一种离心泵叶片反问题方法——基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题方法。采用自由曲面变形方法对叶轮叶片形状进行控制，结合自由曲面变形方法的数学原理，利用叶片载荷分布驱动叶片的变形，构建了更为稳定有效的变形函数，从而实现了根据物理参数对叶片形状的控制，实现了离心泵叶片的反问题控制。
　　2.提出采用多段样条曲线与直线相结合的方法对离心泵叶片载荷曲线进行参数化控制。根据目标载荷的分布规律，选取样条曲线与直线结合点处的载荷数值为控制变量，根据控制点处的载荷数值即可拟合生成叶片载荷曲线，从而实现叶片载荷曲线的参数化控制。
　　3.根据基于自由曲面变形方法的反问题方法，以及叶片载荷曲线的参数化控制，在叶片载荷控制变量空间进行试验设计，结合响应面分析法进行离心泵叶片的载荷优化研究。得到了离心泵叶片载荷分布规律与对应的叶片形状及叶片水力性能之间的关系，得到了低比转数离心泵叶片理想的载荷分布规律。算例优化结果表明离心泵叶片载荷优化理论及方法是可行的。
　　4.根据提出的反问题方法及其优化研究理论，采用Matlab软件编制了基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题的计算程序以及离心泵叶片载荷的响应面优化分析程序，程序简洁，计算速度快，适当修改还可应用于其他控制变量的响应面优化分析。
　　5.经响应面优化分析得到的叶轮与现有水力性能较好的叶轮进行对比，在额定工况点与现有叶轮的水力性能相近，在大流量工况点性能优于现有叶轮。算例优化结果表明采用提出的反问题方法及优化理论是可行的。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪 论

1.1引言

1.2离心泵正、反问题研究进展

1.3离心泵优化方法研究进展

1.4本文的主要研究工作

第2章 基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题方法

2.1自由曲面变形方法

2.2基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题方法

2.3本章小结

第3章 基于自由曲面变形方法的离心泵叶片载荷优化

3.1离心泵叶片载荷分布特征及参数化控制方法

3.2离心泵叶片载荷优化方法

3.3本章小结

第4章 算例分析及结果讨论

4.1计算模型的建立

4.2计算模型网格划分

4.3计算模型的载荷计算

4.4计算模型参数化控制

4.5控制变量的试验设计

4.6自由曲面变形方法与CFD技术耦合计算

4.7响应面分析

4.8结果分析与讨论

4.9本章小结

结论与展望

1.研究总结

2.研究存在的不足及展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文及科研成果