CFD技術(shù)在離心泵優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

劉曉影

摘 要：現(xiàn)階段，CFD技術(shù)和優(yōu)化算法得到了顯著改善，諸多研究都以流暢分析與優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，改進(jìn)了葉輪性能，也就是以效率和總壓等為參數(shù)，不斷改善目標(biāo)函數(shù)。通過對葉片幾何參數(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，實現(xiàn)葉型的最優(yōu)化。同時，最近幾年諸多學(xué)者紛紛投入到離心泵優(yōu)化設(shè)計的研究行列之中，得出一些優(yōu)化方式可以對離心泵流動狀況予以改善，并降低邊界層內(nèi)出現(xiàn)的流動損失。對此，本文主要對CFD技術(shù)在離心泵優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù);離心泵;優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)階段，CFD和計算機技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，CFD受到了設(shè)計人員的一致歡迎，其在優(yōu)化改型設(shè)計、模擬真實流場中的應(yīng)用極為廣泛，進(jìn)而有利于設(shè)計研究人員可以更好地有機結(jié)合正反問題，將和水力要求相符的轉(zhuǎn)輪設(shè)計出來[1]。作為應(yīng)用廣泛的一種流體機械，離心泵長時間以來仍存在諸多問題，如特性曲線不穩(wěn)定、汽蝕性能不好、效率低等，在設(shè)計理論的不斷完善下，設(shè)計人員可以借助流場分析將數(shù)據(jù)得到，修改設(shè)計，最終把性能較好的離心泵獲得。

1 葉輪幾何的參數(shù)化擬合

為了進(jìn)一步提高離心泵設(shè)計的科學(xué)性和合理性，應(yīng)針對葉輪幾何模型，積極進(jìn)行參數(shù)化控制，借助B樣條曲線和Bezier曲線對葉輪參數(shù)化進(jìn)行擬合，葉輪參數(shù)化擬合主要囊括和流面上二維葉型截面不同的參數(shù)化、積疊線的定義、流面的定義、流面的定義[2]。在對擬合曲線的類型進(jìn)行選擇的時候，應(yīng)將全面考慮幾何模型在結(jié)構(gòu)方面的特點，在目標(biāo)葉輪前、后蓋板流線進(jìn)、出口處，均存在著一段直線，對此，應(yīng)選擇Line組合曲線以及Bezier曲線將子午面流線擬合出來。因為目標(biāo)葉片葉片具有十分復(fù)雜的形狀，同時扭曲較大，因此對8個二維截面進(jìn)行定義，的促成三味目標(biāo)葉型，進(jìn)而確保參數(shù)化葉信可以和目標(biāo)頁型更相近。葉型中弧線借助三階Bezier曲線展開控制工作，而葉片壓力邊和吸力邊則是借助五階Bezier曲線展開控制工作。同時，二維葉型前、尾緣分別為圓型、鈍型，積疊線是葉型后緣。將Bezier-Line-Bezier組合曲線作為葉片積疊線的周向定位（圖1）。擬合工作結(jié)束之后，如果目標(biāo)幾何和參數(shù)化幾何之間數(shù)據(jù)對比存在差異，且差異在10-4則表示參數(shù)化幾何十分吻合目標(biāo)葉型，同時擬合結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計的要求相符。

圖1? ? 葉片積疊線的周向定義

2 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立

葉輪優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型主要由三部分組成，即約束條件、目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量[3]。在優(yōu)化中對變量這種參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，變動性非常強。設(shè)計變量數(shù)目的多少直接關(guān)系到能否輕松獲得最優(yōu)葉型，但同時卻會增加求解問題的計算時間，使之變得更加復(fù)雜，若設(shè)計變量過少，則無法將最優(yōu)結(jié)構(gòu)求出來。所以，要對設(shè)計變量對葉輪性能的影響進(jìn)行綜合考慮，在選擇設(shè)計變量時以起決定性作用的部分參數(shù)為主。文中所選擇的優(yōu)化設(shè)計變量為控制葉片積疊線周向定位的兩個參數(shù)，如圖1所示的a2和a3立足于工程實際情況，設(shè)定相關(guān)變量值時應(yīng)考慮到各種約束性條件，逐漸構(gòu)建起計算可行域。一旦構(gòu)建相對應(yīng)的模型后，從而尋求變量最佳的組合。廣泛查詢資料，通過大量實驗，-3°～3°為最佳的變量約束范疇。作為待最優(yōu)化的函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)包含設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)兩個重要內(nèi)容，以此來進(jìn)一步提高葉輪效率，也就是：ηimp（α2，α3）→max。

式中：ηimp指的是葉輪的效率，優(yōu)化變量α2是擬合葉片積疊線周向位置的組合曲線Bezier-Line-Bezier中直線段和豎直方向的夾角;優(yōu)化變量α3是擬合葉片積疊線周向位置的組合曲線中span=1處第二條Bezier曲線和豎直方向的夾角。

3 優(yōu)化算法和優(yōu)化過程

通過對遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法予以聯(lián)合使用來對葉輪展開優(yōu)化計算[4]。其實，遺傳算法也是進(jìn)化算法的一種，借助對群體搜索技術(shù)的使用，以初始群體為基礎(chǔ)，將較好的個體作為父代，通過對父代個體多次執(zhí)行遺傳操作，如選擇、變異和交叉等來達(dá)到生成新種群的目的，經(jīng)過幾代進(jìn)化，讓種群囊括進(jìn)性能更加的個體。在優(yōu)化設(shè)計離心泵葉輪過程中，最難的地方在于對目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量之間的定量關(guān)系予以構(gòu)建。本次優(yōu)化通過對完全隨機設(shè)計法予以利用，在設(shè)計變量的約束范圍中隨機取值，一共生成了21個周向控制參數(shù)不同的葉輪樣本組成初始數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)語

CFD技術(shù)在離心泵優(yōu)化設(shè)計中運用，作用極為顯著，本文立足于獲得的流場信息改型設(shè)計離心泵，提出了以CFD數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的離心泵葉輪優(yōu)化設(shè)計方法。通過優(yōu)化算例可知，CFD數(shù)值分析技術(shù)效果顯著，同時數(shù)值模擬方法將離心泵的開發(fā)周期顯著縮短了，可以促進(jìn)離心泵設(shè)計質(zhì)量顯著提升[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙偉國，王丹，劉在倫.基于遺傳算法的中低比轉(zhuǎn)速離心泵優(yōu)化設(shè)計[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2017（05）：62-65.

[2]孫向龍.基于CFD的礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計[J].世界有色金屬，2018，510（18）：209-210.

[3]侯敬婷.CFD技術(shù)在臥式中開多級離心泵設(shè)計中的應(yīng)用[J].廣州化工， 2015， 43（9）：168-171.

[4]周斌.基于CFD的低比轉(zhuǎn)速離心泵的優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2017（9）：1-2.

[5]姚堯.多級離心泵水力性能分析及優(yōu)化設(shè)計[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2017.