离心泵叶轮流固耦合分析及结构优化

摘要

泵是一种对流体做功的通用机械，具有很多种类。并且是一种在军事领域、机械工业工程、能源等方面广泛运用的流体机械，国内的离心泵普遍存在效率低、性能不稳定等缺点。为了让叶轮在工作中更稳定，保障整体性能，提高叶轮结构可靠性，本文给出了离心泵叶轮的结构优化模型，对离心泵叶轮的关键几何设计变量进行了优化，保证了离心泵的稳定运行，可用于工程实际问题。
　　本文基于实验设计、CFD技术、流固耦合技术对离心泵叶轮结构进行优化设计。主要研究内容如下：
　　（1）研究分析离心泵的性能影响参数，找出影响离心泵性能的关键参数，确定需要研究的试验参数，根据均匀实验设计法安排试验。
　　（2）利用SolidWorks对离心泵叶轮流道及叶轮的结构进行三维参数化实体建模。使用ANSYS Workbench中的MESH模块对离心泵叶轮流道及叶轮结构进行网格划分及前处理。
　　（3）基于ANSYS Workbench平台，通过FLUENT模块对离心泵叶轮流道进行流场分析，研究流道流体速度、压力分布规律，计算相应的水力效率；然后通过Static Structural模块，基于CFD/CSD原理，完成对离心泵叶轮稳态静力学的分析，研究叶轮的内部应力与变形分布规律，并提取出各实验点的最大变形、最大应力。
　　（4）利用MATLAB，采用Kriging模型，构建离心泵叶轮关键设计变量与水力效率之间的优化设计数学模型，基于MATLAB，采用SQP算法对离心泵叶轮结构优化设计数学模型进行寻优，采用FLUENT进行仿真验证，方便了离心泵叶轮的进一步研究。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 本文的主要研究内容和技术路线

1.4 本章小结

2 离心泵的基本理论及优化基本理论

2.1 离心泵的基本理论

2.2 离心泵优化基本理论

2.3 本章小结

3 离心泵叶轮的三维建模及网格化处理

3.1 离心泵的三维建模

3.2 叶轮结构及其流道网格化处理

3.3 本章小结

4 离心泵内部流场数值模拟

4.1 流体与流动的基本特性

4.2 流场分析软件概述

4.3 离心泵内部流场基本方程及模型

4.4 流动边界条件

4.5 流场求解方法

4.6 流域动静耦合场求解方法

4.7 离心泵内部流场计算过程

4.8 离心泵内部流场模拟结果显示及分析

4.9 本章小结

5 基于FSI原理的离心泵叶轮静力分析

5.1 流固耦合守恒原则

5.2 流固耦合求解方法

5.3 流体机械静力分析基本原理

5.4 离心泵叶轮流固耦合分析的实现过程

5.5 离心泵叶轮应力及变形分析

5.6 本章小结

6 离心泵叶轮结构优化设计

6.1 离心泵代理模型的构建

6.2 离心泵叶轮优化模型

6.3 离心泵叶轮优化计算过程及结果分析

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢