摘要：混流泵比轉(zhuǎn)速一般在300至500之間，介于離心泵和軸流泵之間，具有流量大、揚(yáng)程高等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用與農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活生產(chǎn)中。葉輪作為混流泵的核心部件，其設(shè)計(jì)的好壞對混流泵的性能有著重要的影響，要想設(shè)計(jì)出滿足特殊用泵行業(yè)的混流泵葉輪，就必須根據(jù)已有設(shè)計(jì)產(chǎn)品，針對現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境等條件，對已有的混流泵模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化出滿足性能指標(biāo)、能使機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的混流泵葉輪模型。

關(guān)鍵詞：混流泵；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全穩(wěn)定

引言

混流泵是介于離心泵和軸流泵之間的一種泵。它的比轉(zhuǎn)速高于離心泵，低于軸流泵，一般在300-500之間，揚(yáng)程比軸流泵高，但流量比軸流泵小，比離心泵大。由于混流泵流量大、揚(yáng)程和效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部位，特別是在火電站和核電站冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)中，是不可替代的核心部件。葉輪作為混流泵的核心部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響著機(jī)組系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高混流泵的外特性、空化性能、內(nèi)部流動特性和降低混流泵運(yùn)行時(shí)壓力脈動幅值，就需要探索研究混流泵葉輪的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法。JP

本文基于最優(yōu)化理論與方法，結(jié)合葉輪葉片的設(shè)計(jì)方案對提高混流泵性能、降低混流泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音與振動和提高機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支撐，為今后混流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了一定基礎(chǔ)和為企業(yè)提供了一套完整的混流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法。

1.葉輪參數(shù)化造型

葉片參數(shù)化在自動優(yōu)化中是極其重要的一步。自動優(yōu)化中可以選擇參數(shù)化葉片中的各自有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并以初始參數(shù)化葉片為模板進(jìn)行葉片幾何造型、網(wǎng)格劃分、流場計(jì)算等。一般在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，葉片參數(shù)化擬合需要一個(gè)初始葉片為模板進(jìn)行擬合，所以首先要根據(jù)已有參數(shù)設(shè)計(jì)出一個(gè)葉片，然后對葉片用參數(shù)化方法去表達(dá)，通過對端壁型線、流面控制線、堆疊規(guī)律和翼型型線的控制來參數(shù)化葉片。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，可以將葉片角作為可變自由參數(shù)，前緣到尾緣的葉片角能很TP唐健.TIF；%30%30；Z5mm，YTS（JZHT7.H圖1TS）

大程度上影響泵的性能。之前的研究表明葉片的厚度對泵的水力效率影響不大，所以在本文的參數(shù)化擬合中，初始葉片的厚度設(shè)置為不變，同樣輪緣和輪轂的子午面和出口直徑也保持不變。本文所研究的葉片參數(shù)化造型擬合分為兩步完成，分別是初始參數(shù)化擬合和二次參數(shù)化擬合。參數(shù)化后模型如圖1所示。

2.性能分析

2.1網(wǎng)格劃分。為了提高數(shù)值模擬的計(jì)算速度和優(yōu)化過程中有效樣本的數(shù)量，首先在劃分網(wǎng)格時(shí)，就采用了多重網(wǎng)格技術(shù)。多重網(wǎng)格方法是提高計(jì)算效率、加快收斂方面的一個(gè)非常有效的方法。確定葉輪轉(zhuǎn)速為490r/min、葉片數(shù)為6、葉片展向節(jié)點(diǎn)數(shù)為43和邊界層網(wǎng)格單元大小，完成網(wǎng)格的制作，劃分得到的葉片網(wǎng)格數(shù)為607469。

2.2邊界條件設(shè)定。邊界條件是指流體在運(yùn)動或靜止的邊界條件上給予的確定性條件，所以邊界條件的參數(shù)直接影響了求解過程和得到的結(jié)果。對導(dǎo)葉式混流泵進(jìn)行數(shù)值模擬，流體介質(zhì)為清水，密度為997kg/m3，邊界條件設(shè)置如下：（1）進(jìn)口邊界條件：靜態(tài)溫度為293K，湍流粘度為1e-6m2/s，葉輪進(jìn)口采用速度進(jìn)口，速度方向垂直于葉輪進(jìn)口。出口邊界條件：靜壓出口。并選擇出口回流控制。（2）壁面邊界條件：壁面為無滑移邊界，近壁區(qū)流動采用壁面函數(shù)法處理。葉輪輪轂和輪緣是旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度490r/min。（3）湍流模型與收斂精度：一般地，殘差越小越好，由于存在數(shù)值精度問題，不可能得到理想的0殘差。一般情況下，由于網(wǎng)格質(zhì)量問題、邊界條件設(shè)定問題和湍流模型的選擇問題，可以認(rèn)為殘差在1e-4以下便可認(rèn)為收斂。只有在完全收斂的條件下才可相信計(jì)算所獲得的結(jié)果。當(dāng)全局殘差達(dá)到收斂精度時(shí)，還要看各塊中殘差是否完全收斂。本文全局殘差設(shè)為1e-4，最大計(jì)算步數(shù)設(shè)為2000。JP

2.3數(shù)據(jù)庫生成。優(yōu)化是基于近似函數(shù)方法以及優(yōu)化算法為基礎(chǔ)展開的，因此進(jìn)行優(yōu)化之前需要為優(yōu)化過程提供有限數(shù)量的樣本，包括葉片幾何參數(shù)和葉輪流動參數(shù)。優(yōu)化的自由參數(shù)選擇5個(gè)流面上葉片的進(jìn)出口安放角（β1和β2）、葉片前緣半徑R和葉片數(shù)N，共16個(gè)自由參數(shù)，生成數(shù)據(jù)庫樣本。

2.4葉片優(yōu)化。葉片優(yōu)化采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代優(yōu)化算法相結(jié)合的方法進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動學(xué)習(xí)功能，得出優(yōu)化參數(shù)和目標(biāo)之間的映射規(guī)律，從而大大提高優(yōu)化效率。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法找出輸入量（優(yōu)化參數(shù)）和輸出量（優(yōu)化目標(biāo)）之間的映射關(guān)系。在輸入和輸出層之間的隱層設(shè)定為3層。為了保證優(yōu)化目標(biāo)的全局最優(yōu)和加快計(jì)算收斂速度，本文優(yōu)化算法選擇遺傳算法。設(shè)定初始種群為40，種群重新生成循環(huán)次數(shù)為20，樣本生成數(shù)量為20。設(shè)定效率為目標(biāo)，期望值為88%。在設(shè)計(jì)工況下葉輪優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表1所示。

3.優(yōu)化前后對比分析

葉輪是混流泵的核心部件，其設(shè)計(jì)的好壞對混流泵性能有著重要的影響。針對混流泵葉輪的內(nèi)部流動特性，從相對速度和靜壓力分布兩個(gè)方面，分別計(jì)算了混流泵優(yōu)化前后0.6Q，1.0Q，1.4Q三個(gè)工況下的流場情況。優(yōu)化前后葉輪的流場計(jì)算如圖2所示。

唐健2.TIFTS（JZHT7.H圖2葉片表面靜壓分布TS）KH*2

通過優(yōu)化前后葉輪的流場計(jì)算分析可以看出，在小流量工況下，初始葉輪進(jìn)口低壓區(qū)分布較寬，優(yōu)化后的葉輪雖然也存在低壓區(qū)，但是低壓區(qū)的范圍較初始葉輪明顯減少，優(yōu)化后的葉輪能在小流量工況下改善葉輪進(jìn)口壓力，從而提高葉輪進(jìn)口抗空化性能，且靜壓梯度變化較初始葉輪相對平緩，有利于改善葉輪中壓力波動情況。圖2中（c）和（d）同樣可以得到混流泵在設(shè)計(jì)工況下，優(yōu)化葉輪較初始葉輪在進(jìn)口低壓區(qū)和靜壓梯度變化有所改善。從圖（e）和（f）中可以看出，在大流量工況下初始葉輪進(jìn)口低壓范圍廣，而優(yōu)化后葉輪進(jìn)口低壓明顯減少，這是由于優(yōu)化后葉輪壓力面和吸力面曲率發(fā)生了變化和葉片頭部曲率半徑發(fā)生了改變，使液流經(jīng)過葉片時(shí)，減少了脫流和二次流等情況，改善了葉片壓力梯度的分布。通過葉片靜壓分布的分析，得出優(yōu)化葉輪可以提高葉片表面壓力梯度的分布和減少葉片進(jìn)口低壓的分布。JP

4.結(jié)果分析

本文首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)出混流泵葉輪，通過對初始葉片進(jìn)行參數(shù)化擬合，得到了自動優(yōu)化需要的參數(shù)化葉片。采用遺傳算法針對葉片的相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化前后葉片的對比分析得到了優(yōu)化后的模型比優(yōu)化前在性能方面更好，為以后在葉輪這方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考。（作者單位：西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

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