基于粒子群优化算法的立式管道泵空化特性研究

摘要

立式管道泵是安装于管路中的离心泵，其进出口直径相同，且在大多数情况下中心位于同一水平线上，出于适应管路安装以及制造成本考虑，立式管道泵的吸水室一般选用肘形吸水室。液流从该形式的吸水室进入叶轮前流动方向发生改变，易形成漩涡区，影响叶轮进口入流的均匀性，从而导致立式管道泵的水力性能较差，特别是空化现象严重，因此，针对肘形吸水室的立式管道泵的空化现象，本文选取浙江某企业型号为LPP100-32-22/2的立式管道泵作为研究对象，以改善空化特性为目的，基于粒子群算法对肘形吸水室的几何参数进行了优化，主要研究内容如下:
　　1.应用R语言对肘形吸水室中的11个潜在影响因子进行Ⅳ级精度部分两水平设计，借助于ANSYSCFX求解相应的响应值——最大空泡体积分数，并通过R语言对结果进行了分析。在主效应中，Angle2、Angle3、Radial2、Radial、Length1对流场内部最大空泡体积分数存在明显的影响。在交互作用中，Angle1与Length2的交互作用对流场内部最大空泡体积分数存在明显的影响。
　　2.采用拉丁超立方设计对筛选出的7个因子构建100组样本点，借助于CFD方法获得了相应的响应值，通过R语言构建了基于此的Kriging数学替代模型。
　　3.以构建的Kriging替代模型为目标函数，采用粒子群优化算法在合理取值范围内对目标函数的最小值进行了搜索，发现最优解在各因子的取值基本位于边界处。相比于原始模型，优化后的吸水室移除了消旋板，增大了大曲率侧的曲率半径，吸水室出口处型线向泵进口方向倾斜，增加了所选取的控制断面面积，有效地提升了叶轮进口处流动的均匀性。
　　4.对优化前后设计点处水力特性进行了对比，发现最大空泡体积分数由0.709786下降至0.603884，汽蚀余量NPSH3下降了约0.7m。对叶轮内部流场分析发现，叶轮进口的非均匀进流加剧了叶轮内部的旋转失速，使得小流量工况下的小尺度分离涡在设计工况点出现，产生了集中分离涡，从而导致了涡生空化的产生，而优化后的模型进口流动的均匀性增加，有效地抑制了设计工况点旋转失速的出现，消除了集中分离涡，降低了涡生空化，从而降低了泵的汽蚀余量NPSH3。
　　本文最终的优化参数已成功应用于该型号泵的实际生产中，取得了一定的经济效益，为将本研究所采用的优化方法向同类产品中推广提供了一定的工程借鉴价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 立式管道泵概述

1．2 泵进水流道研究现状

1．3 离心泵优化设计的进展

1．4 R语言

1．5 课题提出

1．6 本文研究的主要内容

第二章 研究对象概述

2．1 研究对象几何参数

2．2 现有产品数值分析

2．2．1 计算模型网格划分

2．2．2 RNG κ-ε模型

2．2．3 Scalable近壁面函数

2．2．4 Rayleigh Plesset

2．2．5 其他相关设置

2．2．6 CFD结果分析

本章小结

第三章 因子筛选试验——部分两水平析因设计

3．1 析因设计概述

3．2 肘形吸水室因子筛选

本章小结

第四章 空间填充设计以及替代模型的实现

4．1 拉丁超立方设计

4．1．1 拉丁超立方设计概述

4．1．2 拉丁超立方设计的实现

4．2 Kriging替代模型

4．2．1 Kriging模型概述

4．2．2 Kriging替代模型的建立

本章小结

第五章 基于粒子群算法的吸水室优化

5．1 粒子群算法概述

5．1．1 经典粒子群算法

5．1．2 粒子群中的拓扑结构

5．1．3 标准PSO算法 2011

5．2 基于PSO的吸水室流道优化

5．3 优化前后模型对比

本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的研究成果