基于正交试验的轴流泵优化设计
轴流泵多工况优化设计及效果分析
轴流泵多⼯况优化设计及效果分析轴流泵多⼯况优化设计及效果分析⽯丽建1 汤⽅平1 刘超1 谢荣盛1 谢传流1 孙丹丹21扬州⼤学⽔利与能源动⼒⼯程学院江苏扬州225100；2 徐州市⽔利建筑设计研究院江苏徐州221000摘要：为了提⾼轴流泵⾮设计⼯况的运⾏效率，拓宽轴流泵⾼效区范围，对轴流泵进⾏多⼯况优化设计。
结合轴流泵段的模型试验，采⽤数值模拟⼿段和数值优化技术，改变叶轮的⼏何设计参数。
对轴流泵叶⽚进⾏参数化建模，再对轴流泵叶轮结果进⾏泵段数值模拟。
最后以轴流泵段3个流量⼯况点的加权平均效率最⾼，扬程为约束条件，改变轴流泵叶轮的设计参数，对轴流泵段进⾏多⼯况优化设计。
研究结果表明：优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽，其中⼩流量⼯况点效率提⾼约2.6％，设计⼯况点效率提⾼约0.5％，⼤流量⼯况点效率提⾼最多，约7.4％，⽽对于扬程变化范围较⼩，各⼯况点扬程均能满⾜运⾏要求，⼤⼤降低了运⾏成本，缩短了优化设计的周期。
同时采⽤CFD计算的学科分析⽅式，结合试验研究的⼿段取代⼈⼯凭经验的优化⽅式，证实了轴流泵段多⼯况优化设计的可靠性、⾼效性。
该研究将为泵站的⾼效运⾏和轴流泵的多⼯况优化设计提供参考。
泵；优化；计算机仿真；轴流泵段；多⼯况；试验分析Optimization design and effect analysis of multi-operation conditionsOf axial-flow pump deviceShi Lijian1, Tang Fangping1 , Liu Chao1 , Xie Rongsheng1 , Xie Chuanliu1 , Sun Dandan21. School of Hydraulic Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225100, China；2. Institute of Water Conservancy Works Design of Xuzhou, Xuzhou 221000, ChinaAbstract: The flow units of pump device will produce a bad flow regime when the axial-flow pump runs under off-design condition. The paper uses the numerical simulation and numerical optimization techniques, changes the geometric design parameters of axial-flowimpeller, and carries out the optimization design of multi-operation conditions of axial-flow pump device. The optimization design based on pump device experiment analysis aims to improve the efficiency of operation under off-design conditions, broaden the scope of the efficiency of pump device, and reduce the operating cost of pump station. Firstly, this paper performs the parametric modeling of axial-flow impeller, and uses fewer design parameters to control the shape of pump blades by FORTRAN. According to the design condition to design an axial-flow impeller with high efficiency, and design the guide vane based on the design condition and the impeller. Use the impeller, the guide vane, and the standard inlet and outlet pipe to calculate the hydraulic performance of axial-flow pump device. Then do the experiment of the pump device to verify the accuracy and reliability of the numerical simulation of the pump device. Lastly, this paper carries out the optimization design of multi-operation conditions of axial-flow pump device. The design flow is 360 L/s, the small flow is 300 L/s and the large flow is 420 L/s, and the 3 flow conditionsis chosen as the multi-operation conditions. Change the design parameters of axial-flow impeller, select the weighted average efficiency of pump device as the optimization object and the head of each condition as the constraint, and carry out the optimization design of multi-operation conditions of axial-flow pump device. For each design parameter, every change corresponds to a complete numerical simulation of pump device. Last but not least, this article does the internal flow field analysis of pump before and after optimization. The analysis mainly includes the streamline comparison of the different flow conditions for the outlet pipe, and the pressure comparison of the different flow conditions in the outlet of the impeller; besides, the NPSH(net positive suction head) is compared before and after optimization. The optimization results show that the optimized high efficiency range of axial-flow pump device is widened obviously compared to the initial pump device. The efficiency of small flow condition is increased by about 2.6％, the efficiency of design flow condition is increased by about 0.5％, and theefficiency of large flow condition is increased by about 7.4％, which is the most. As to the head of the axial-flow pump device, it is little changed, and can also meet the operation requirement. The optimized pump device can greatly reduce the operation cost of pump station, and the optimization design method of multi-operation conditions of axial-flow pump device can greatly shorten the design cycle. From the comparison of streamline and pressure before and after optimization, it can be seen that the optimized streamline is smoother and the pressure distribution is more reasonable. And the NPSH is similar, and does not become worse. This paper adopts the computational fluid dynamics (CFD) simulation as the subject analysis method, which is combined with experimental study and replaces artificial way of optimization design based on experience, and proves thereliability and efficiency of the optimization design of multi-operation conditions of axial-flow pump device.Keywords: pumps；optimization；computer simulation；axial-flow pump device；multi-operation conditions；experiment analysis0 引⾔轴流泵叶轮叶⽚设计质量⾼低很⼤程度上决定着⽔泵的性能。
高比转速轴流泵叶轮与导叶的正交试验优化
赵勇;董威;肖业祥;汪程鹏;王东;王生辉
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2022(41)3
【摘 要】高比转速轴流泵广泛应用在防洪排涝等特殊场合,但其水力效率普遍偏低。为提高其水力效率,并达到节能效果,本文对比转速为1400轴流泵的叶轮与导叶采用正交试验进行水力优化,并探究优化前后泵的内流特性。先对轴流泵叶轮和导叶的几何形状进行参数化解析,对参数化后的控制尺寸设置控制因素,以水力效率为指标设计正交试验,并对正交试验结果进行极差分析,获得影响轴流泵水力性能的关键因素。依据关键因素下的相应水平,调整叶片翼型几何参数,获得叶轮与导叶正交试验优化后结果。结果表明,优化后的叶轮与导叶段的脱流与回流涡等现象均得到有效改善,且叶轮表面压力集中区域扩大,做功能力得到提高,使叶轮、导叶及出水管段的水力损失显著降低。正交试验得到的最终优化方案较于原型泵,其水力性能的水力效率提高了13.22%,且扬程提高至设计指标6.3 m。
【总页数】9页(P92-100)
【作 者】赵勇;董威;肖业祥;汪程鹏;王东;王生辉
【作者单位】长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室;清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系;自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所;海南大机电工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TV734;TK730
【相关文献】
1.采用叶轮出口斜切及导叶喉部优化改善一台节段式多级泵外特性的数值分析与试验研究2.基于载荷分布的潜水轴流泵叶轮与导叶水力设计3.高比转速轴流泵正交优化设计研究4.基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究5.基于正交试验的低比转数混流泵叶轮和导叶匹配优化
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基于正交试验的某齿轮轴工艺参数优化
基于正交试验的某齿轮轴工艺参数优化1. 绪论- 研究背景和意义- 国内外研究现状- 研究目的和意义2. 理论基础- 正交试验方法及其应用- 齿轮轴工艺参数的优化方法- 相关理论模型的建立3. 实验设计与方案- 实验因素及水平的选择- 正交试验方案的设计- 实验过程及数据获取4. 实验结果与分析- 实验结果的统计分析- 参数优化结果分析- 优化效果评估5. 结论与展望- 实验结论总结与分析- 研究不足和改进方向- 后续研究的进一步展望第1章绪论1.1 研究背景和意义齿轮轴作为机械装置中的核心传动部件之一，其生产制造工艺直接影响轴的质量和使用寿命，因此其制造工艺的优化和改进是现代制造业中的重要问题。
随着经济的快速发展和市场竞争的日益激烈，传统的试验设计方法已经不能满足工程问题的需要。
正交试验方法作为一种受到广泛应用的优化方法，日益被应用于齿轮轴工艺参数优化中。
1.2 国内外研究现状目前国内外关于齿轮轴工艺参数优化所采用的方法有很多种，如序列化工艺、仿真分析以及传统试验等。
其中，正交试验作为一种系统性较强的试验设计方法被广泛应用于齿轮轴工艺参数优化中。
通过正交试验可以确定最优的工艺参数，缩短制造周期，节约生产成本，提高生产效率。
1.3 研究目的和意义本论文对齿轮轴优化进行正交试验设计及参数优化，旨在提供一种新的解决方案，从而降低制造成本，提高产品质量，提高生产效率，为实现轴的高品质、高效率的制造提供重要参考。
第2章理论基础2.1 正交试验方法及其应用正交试验是一种基于实验的数学方法，可用于系统性较强的试验设计。
通过正交试验的方式，可以对多因素多水平的试验进行优化设计，并获得相对较好的结论。
正交试验的核心思想是改变单个因素，保持其余因素不变，从而在最少的试验次数内得到可靠的结论。
正交试验方法广泛应用于工程设计优化、制造优化等领域。
2.2 齿轮轴工艺参数的优化方法齿轮轴工艺参数优化是通过对齿轮轴的制造工艺参数进行优化，以提高齿轮轴的质量和性能的一种方法。
基于正交试验的高扬程混流泵优化设计
第３８卷 第１２期Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２李彦军基于正交试验的高扬程混流泵优化设计李彦军，吴天澄，王文杰 ，裴吉（江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３）收稿日期：２０１９－１１－２６；修回日期：２０２０－０１－１４；网络出版时间：２０２０－１２－０３网络出版地址：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０２０１２０２．１６３２．００２．ｈｔｍｌ基金项目：国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＢ０６０６１０３）；武汉市科技计划项目（２０１８０６０４０３０１１３５０）第一作者简介：李彦军（１９７６—），男，江苏赣榆人，副研究员（ｌｙｊ７８２９００＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事泵和泵装置优化设计及动力特性测试研究．通信作者简介：王文杰（１９９０—），男，湖北天门人，助理研究员（ｗｅｎｊｉｅｗａｎｇ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事泵智能优化设计研究．摘要：为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率，选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径这４个因素，每个因素取４个水平，利用正交设计软件ＳＰＳＳ进行正交试验方案的设计，应用ＣＦＤ软件ＡＮＳＹＳＣＦＸ对设计的１６副叶轮进行三维数值模拟，利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度，进而得到最优组合方案，最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况，验证优选方案的可行性．结果表明：叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大，叶片包角对效率影响程度最大．在设计流量下，兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高，泵段内水流流态较好，压力分布均匀，达到优化设计的目的．因此，基于正交试验的高扬程混流泵优化可行，优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失，提高其水力性能，并改善其内部流动．关键词：混流泵；高扬程；正交试验；优化设计中图分类号：ＴＨ３１３；Ｓ２７７．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０２０）１２－１２０３－０６Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１９．０３１３ 李彦军，吴天澄，王文杰，等．基于正交试验的高扬程混流泵优化设计［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２０，３８（１２）：１２０３－１２０８． ＬＩＹａｎｊｕｎ，ＷＵＴｉａｎｃｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｎｊｉｅ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｗｉｔｈｈｉｇｈｈｅａｄｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２０，３８（１２）：１２０３－１２０８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｗｉｔｈｈｉｇｈｈｅａｄｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔＬＩＹａｎｊｕｎ，ＷＵＴｉａｎｃｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｎｊｉｅ ，ＰＥＩＪｉ（ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＰｕｍｐｓ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅＳＰＳＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅｏｆｆｏｕｒｆａｃｔｏｒｓａｎｄｆｏｕｒｌｅｖｅｌｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｌｅｔａｎｇｌｅ，ｏｕｔｌｅｔａｎｇｌｅ，ｗｒａｐａｎｇｌｅ，ｏｕｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒ．Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ１６ｄｅｓｉｇｎｅｄｉｍｐｅｌｌｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳＣＦＸ．Ｒａｎｇｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｈｅａｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｎａｎｏｐｔｉｍａｌｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｅｆｅｒｒｅｄｓｃｈｅｍｅｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｌｅｔａｎｇｌｅｈａｓｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｈｅａｄ，ａｎｄｔｈｅｂｌａｄｅｗｒａｐａｎｇｌｅｈａｓｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆｌｏｗｒａｔｅ，ｔｈｅｈｅａｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｇｒａｍｔｏｂｏｔｈｈｅａｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｐｕｍｐｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｂｅｔｔｅｒａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓｕｎｉｆｏｒｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｐｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｇｏａｌ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｏｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ ｈｅａｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｐｒｅｆｅｒｒｅｄｓｃｈｅｍｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｓｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ ｈｅａｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ；ｈｉｇｈｈｅａｄ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ 混流泵是比转数介于２５０～６００的泵型，其结构和性能介于轴流泵和离心泵之间，混流泵兼具轴流泵和离心泵的优点，是性能较优的泵型［１－２］，因而广泛应用于电站（核电站、蓄能电站）、市政引水工程、石油化工工程等，在国民经济中起到重要作用．已有诸多学者对混流泵的结构设计和内部流动特性进行了大量的研究．贾瑞宣等［３］对低比转数混流泵叶轮叶型径向参数进行优化设计，使泵效率得到较大提高．张文武等［４］分析了低比转数混流泵在不同叶顶间隙下的外特性参数和叶轮内部流场．瞿杰等［５］、黎义斌［６］等研究了低比转数混流泵叶轮和导叶间动静干涉下的压力脉动情况．ＭＩＹＡＢＥ等［７］分析了低比转数混流泵不稳定水流特性的产生机理，发现导叶进口边的旋涡引起从导叶出口到叶轮出口的回流，从而导致泵内的不稳定流动．常书平等［８］应用剪切应力输运湍流模型和基于Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程的混合物均相流空化模型，对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟，获取了泵的扬程衰减曲线，捕捉到泵内空化的发生、发展过程，对轻微空化、临界空化和严重空化３种工况下叶轮内空泡体积分布特性．尽管对混流泵的研究已取得了一定的成果，但在高扬程导叶式混流泵方面的研究成果较少，特别是对比转数为２６０左右的高扬程导叶式混流泵的水力模型研究较为匮乏．目前中国正在规划兴建的三江连通工程、珠江三角洲水资源配置工程等重大调水工程，其规划设计的大型泵站均需要高扬程大流量的低比转数导叶式混流泵水力模型．因此，研制开发高扬程低比转数导叶式混流泵水力模型对中国大型调水工程的发展具有重要的意义，同时该类型水力模型也可应用于电站等工业循环水系统．较传统的试错法，正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，通过选择合适的正交试验设计表可以分析各因素对优化目标的影响顺序，获得性能最优的参数组合．因其高效率、快速、经济的特点，正交试验法被广泛应用于水泵的优化设计，并获得了良好的效果［９－１３］，其中又以离心泵居多．因此文中使用正交试验方法对高扬程导叶式混流泵叶轮的叶片进、出口安放角，包角和外径４个因素进行优化设计，探索其优化设计方法．１ 数值模拟和试验验证１．１ 计算水力模型研究对象为１台高扬程导叶式混流泵试验模型泵，其设计参数：额定流量Ｑ＝３５０Ｌ／ｓ，设计扬程Ｈ＝３０ｍ，额定转速ｎ＝１４５０ｒ／ｍｉｎ，比转数ｎｓ＝２６３，叶片数ｚ＝５，导叶叶片数ｚｄ＝７，叶轮直径Ｄ２＝３７０ｍｍ．数值模拟计算区域包括进水流道、叶轮、导叶以及出水流道４个部分，如图１所示．图１ 混流泵模型Ｆｉｇ．１ Ｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｍｏｄｅｌ１．２ 网格划分采用三维造型软件ＵＧ进行三维造型并用ＡＮ ＳＹＳＩＣＥＭ进行结构网格划分，叶轮和导叶网格划分示意图如图２所示．图２ 网格模型Ｆｉｇ．２ Ｍｅｓｈｍｏｄｅｌ网格划分影响着模型计算精度、收敛性和计算效率，因此在完成网格划分后对其进行了网格无关性分析．选取５套不同网格数量的叶轮，利用ＡＮＳＹＳ软件计算设计点处的扬程．模拟结果表明，叶轮网格数在达到８４万之后，模拟得到的扬程趋于稳定，误差维持在２％以内．因此，选用网格数量为８４万的叶轮网格进行数值模拟计算．１．３ 边界条件采用ＡＮＳＹＳＣＦＸ对模型进行计算设置．流体运动的控制方程基于三维不可压缩的雷诺时均Ｎ－Ｓ方程，应用标准ＳＳＴｋ－ω湍流模型对方程进行封闭，１２０４该模型在广泛的流动领域具有更高的精度和可靠性．进口边界条件设置为１．０１３×１０５Ｐａ，出口边界条件设置为质量流量，叶轮部分设置为旋转域，转速设定为１４５０ｒ／ｍｉｎ，其他区域为静止域．固体壁面采用无滑移边界条件，靠近壁面区域采用标准壁面函数自动修正．１．４ 数值模拟结果及试验验证原始方案试验在中水北方勘测设计研究有限责任公司水力模型通用试验台进行，试验台满足国家标准．原始方案数值模拟得到的外特性结果和试验的外特性结果对比曲线如图３所示．从图中可知，数值模拟与试验外特性曲线趋势基本一致．总体上，数值模拟结果与试验所得结果误差保持在３．８％以内，符合工程实际，说明该数值模拟方法可行．图３ 试验结果和数值模拟结果对比Ｆｉｇ．３ ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＣＦＤａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ２ 正交试验设计文中根据正交试验方案设计出１６副叶轮，然后找出扬程和效率综合性能最优的方案并进行数值试验分析．２．１ 正交试验目的１）探索所选取的高扬程导叶式混流泵的各几何参数对设计工况点扬程和效率的影响规律；２）通过对正交试验结果进行极差分析并对本模型泵提出最优设计方案；３）对比分析优化前后模型泵的水力性能以及内部流动状态，验证最优方案的可行性．考虑到设计工况时，原始方案试验扬程为３０．０２１ｍ，且数值计算所得扬程略高于试验扬程，因此优化方案设计工况扬程需保持在２９．５～３０．５ｍ，同时效率得到提高以及内部流动状态得到改善．２．２ 正交试验因素和方案试验选取模型泵进口安放角β１，出口安放角β２，叶片包角φ和叶轮外径Ｄ２这４个因素进行正交设计，因素水平及设计方案如表１，２所示．表１ 因素水平表Ｔａｂ．１ Ｆａｃｔｏｒｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔａｂｌｅ水平因素ＡＢＣＤβ１／（°）β２／（°）φ／（°）Ｄ２／ｍｍ１３９５４１００３６７２４３５８１１０３６９３４７６２１２０３７１４５１６６１３０３７３表２ 试验方案Ｔａｂ．２ Ｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅｓ试验序号Ａ（β１）Ｂ（β２）Ｃ（φ）Ｄ（Ｄ２）１３９５４１００３６７２４７６２１００３７１３５１６６１００３７３４４３５８１００３６９５４３６６１２０３６７６５１６２１１０３６７７４７５８１３０３６７８３９６６１３０３７１９５１５４１３０３６９１０３９６２１２０３６９１１４３６２１３０３７３１２４３５４１１０３７１１３４７５４１２０３７３１４４７６６１１０３６９１５５１５８１２０３７１１６３９５８１１０３７３３ 正交试验结果分析通过对１６副叶轮数值模拟结果进行整理，对正交试验的结果进行分析，得出试验中４个因素对泵性能的影响程度，以此来找出影响泵性能的主要因素并提出最优方案，数值模拟结果如表３所示．表３ 数值模拟结果Ｔａｂ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ设计方案参数Ｈ／ｍη／％１３０．５８８０．７５２３０．８６７９．６９３３１．３９８０．００４３０．５５７８．８４５２８．０８８３．６５６３０．４６８３．７０７３０．０５８４．４０８２８．１０８３．８９９３１．３５８３．７５１０２９．２１８２．５１１１３０．２８３．４４１２３３．７３８０．７０１３３２．４４８１．６５１４２９．２２８２．５３１５３１．７２８３．５８１６３１．１３７９．７９１２０５３．１ 直观分析根据表３中正交试验数值模拟结果可以看出，方案７的扬程在２９．５～３０．５ｍ，且效率最高，符合优化目标．３．２ 极差分析为了能更加直观地显示各因素水平对扬程和效率的影响的主次顺序，以因素水平为横坐标，扬程和效率为纵坐标，得到图４所示的水平指标关系．从图中可以看出，扬程的极差由大到小依次为ＲＢ，ＲＤ，ＲＡ，ＲＣ，效率的极差由大到小依次为ＲＣ，ＲＤ，ＲＡ，ＲＢ．由此可知，影响扬程的因素顺序为ＢＤＡＣ，影响效率的因素顺序为ＣＤＡＢ．因此，对扬程来说，影响程度最大的是出口安放角β２；而对效率来说，影响程度最大的是叶片包角φ．就单个因素而言，因素Ａ（进口安放角）各水平对扬程的影响顺序为Ａ４Ａ３Ａ２Ａ１，对效率的影响顺序为Ａ４Ａ３Ａ１Ａ２；因素Ｂ（出口安放角）各水平对扬程的影响顺序为Ｂ１Ｂ２Ｂ３Ｂ４，对效率影响顺序为Ｂ４Ｂ３Ｂ１Ｂ２；因素Ｃ（包角）各水平对扬程影响顺序为Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｃ４，对效率影响顺序为Ｃ４Ｃ３Ｃ２Ｃ１；因素Ｄ（叶轮外径）各水平对扬程影响顺序为Ｄ４Ｄ３Ｄ２Ｄ１，对效率影响顺序为Ｄ１Ｄ３Ｄ２Ｄ４．图４ 因素与性能指标的关系Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆａｃｔｏｒｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ 进一步分析可知，随着进口安放角的增大，扬程和效率整体上有大幅提升，效率在进口安放角增大过程中略微降低之后提高．出口安放角对扬程的影响最大，通过减小出口安放角能使扬程有较大的提升．增大叶片包角虽然对提高效率作用明显，但同时也会使扬程降低．随着叶轮外径的增大，扬程明显提高，但是圆盘摩擦损失也会增加，使得效率降低．综上所述，效率最佳组合为Ａ４Ｂ４Ｃ４Ｄ１，即β１＝５１°，β２＝６６°，φ＝１３０°，Ｄ２＝３６７ｍｍ，其设计工况点扬程为２９．５５ｍ，效率为８５．６２％，计算结果与设计的１６副叶轮方案进行对比，综合评出Ａ４Ｂ４Ｃ４Ｄ１为最优组合方案，符合优化设计目标．所以可以确定最佳方案为Ａ４Ｂ４Ｃ４Ｄ１，即β１＝５１°，β２＝６６°，φ＝１３０°，Ｄ２＝３６７ｍｍ．４ 优化方案分析４．１ 数值模拟性能曲线对比图５为优化前后扬程和效率对比图，从图中可以看出，优化后的扬程整体略有降低，但是优化后设计工况扬程仍然处在２９．５～３０．５ｍ，满足扬程在优化方面的需求．从效率性能曲线可以明显看出，优化方案的整体效率得到提升，数值上提高了９．９８％，高效区也得到明显拓宽，优化效果显著，符合优化目标．图５ 优化前后模拟性能曲线Ｆｉｇ．５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｕｍｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ４．２ 叶轮内部速度流线图对比为了深入理解低比转数导叶式混流泵性能大幅度提升的机理，对比分析不同工况下叶轮和导叶内三维流动特性．图６为Ｑ／Ｑｄ分别为０．８，１．０以及１．２工况下优化前后叶轮内部截面速度流线图．从图中可以看出，优化前叶轮流道内存在不同程度的不稳定流动，优化前Ｑ／Ｑｄ＝０．８工况下叶轮出口处存在小范围旋涡，流线分布不均匀，水力损失较大；优化后旋涡基本消失，流线顺畅且分布较均匀，流体流动方向符合叶片型线，这有利于提升叶轮水利性能．在Ｑ／Ｑｄ＝１．０和Ｑ／Ｑｄ＝１．２工况下，优化前叶片进口边处存在少量回流，堵塞叶轮流道进口，从而造成水力损失，优化后回流消失，流线较为平顺．由此可以看出，适当增大叶片进口安放角以及减小出口安放角有利于改善流体流态，提高叶轮水力性能．１２０６图６ 叶轮内部截面速度流线图Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒ４．３ 导叶表面流线分布对比研究发现，叶轮和导叶之间存在相互的影响［１３－１５］，因此有必要对导叶内流场进行分析．图７为Ｑ／Ｑｄ分别为０．８，１．０和１．２工况下单个导叶片表面速度流线图，从图中可以看出，随着流量的增大，优化前后的模型导叶内旋涡面积均增大，流动分离状况愈加严重．优化前旋涡范围较大，阻塞流道，从而有较大流动损失，而优化后Ｑ／Ｑｄ＝０．８工况下旋涡基本消失，另２个工况下分离旋涡面积明显减小，流线分布更加平滑，流动损失减小．结果表明，与原模型相比，优化后的模型与导叶匹配程度更高，使导叶内水力损失减小，水力效率得到提高．图７ 导叶表面流线分布图Ｆｉｇ．７ Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｏｎｓｕｒｆａｃｅｏｆｇｕｉｄｅｖａｎｅ５ 结 论１）极差分析结果表明，叶轮叶片出口角对扬程影响最大，叶片包角对效率影响最大，叶轮外径对扬程和效率的影响显著．２）在采用正交试验对模型泵进行的优化设计中，通过极差分析最终确定了最佳方案为Ａ４Ｂ４Ｃ４Ｄ１，即β１＝５１°，β２＝６６°，φ＝１３０°，Ｄ２＝３６７ｍｍ，提高了扬程和效率，改善了叶轮和导叶内流态．３）通过对优化前后模型进行内部流动对比分析可知，优化后的模型叶轮和导叶内流体流态更好，水力损失减小，水力性能提高，表明高扬程导叶式混流泵正交试验优化可行，为其进一步的优化研究提供指导．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ 王俊，张永超，王达，等．混流式核主泵内部复杂流动结构分析［Ｊ］．流体机械，２０１７，４５（１０）：５８－６３．ＷＡＮＧＪｕｎ，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇｃｈａｏ，ＷＡＮＧＤａ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎａｍｉｘｅｄｆｌｏｗｎｕｃｌｅａｒｍａｉｎｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１７，４５（１０）：５８－６３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］ 高海司，裴吉，袁寿其，等．蜗壳式混流泵叶轮部件湿模态流固耦合分析［Ｊ］．流体机械，２０１８，４６（１）：４６－５１． ＧＡＯＨａｉｓｉ，ＰＥＩＪｉ，ＹＵＡＮＳｈｏｕｑｉ，ｅｔａｌ．Ｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｉｎａｍｉｘｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１８，４６（１）：４６－５１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］ 贾瑞宣，徐鸿．低比转速混流泵叶轮优化设计［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１０，２８（２）：９８－１０２．ＪＩＡＲｕｉｘｕａｎ，ＸＵＨｏｎｇ．Ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｌｏｗｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２８（２）：９８－１０２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ 张文武，余志毅，祝宝山，等．叶顶间隙对低比转速混流泵性能及内部流场影响的数值研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１７，５３（２２）：１８２－１８９．ＺＨＡＮＧＷｅｎｗｕ，ＹＵＺｈｉｙｉ，ＺＨＵＢａｏｓｈａｎ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｆｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆａｌｏｗｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，５３（２２）：１８２－１８９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］ 翟杰，祝宝山，李凯，等．低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１６，４７（６）：４２－４６．ＺＨＡＩＪｉｅ，ＺＨＵＢａｏｓｈａｎ，ＬＩＫａｉ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｒｎａｌ１２０７ｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｌｏｗｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１６，４７（６）：４２－４６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］ 黎义斌，李仁年，王秀勇，等．低比转数混流泵压力脉动特性的数值模拟［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１３，３１（３）：２０５－２０９．ＬＩＹｉｂｉｎ，ＬＩＲｅｎｎｉａｎ，ＷＡＮＧＸｉｕｙｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉｎｌｏｗｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，３１（３）：２０５－２０９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］ ＭＩＹＡＢＥＭ，ＭＡＥＤＡＨ，ＵＭＥＫＩＩ，ｅｔａｌ．Ｕｎｓｔａｂｌｅｈｅａｄ ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｌｏｗｓｐｅｃｉｆｉｃｓｐｅｅｄｍｉｘｅｄｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，１５（２）：１１５－１２０．［８］ 常书平，王永生．基于ＣＦＤ的混流泵空化特性研究［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１２，３０（２）：１７１－１７５．ＣＨＡＮＧＳｈｕｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＹｏｎｇｓｈｅｎｇ．ＣａｖｉｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｍｉｘｅｄｆｌｏｗｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎＣＦＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３０（２）：１７１－１７５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［９］ 王伟，施卫东，蒋小平，等．基于正交试验及ＣＦＤ的多级离心泵叶轮优化设计［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１６，３４（３）：１９１－１９７．ＷＡＮＧＷｅｉ，ＳＨＩＷｅｉｄｏｎｇ，ＪＩＡＮＧＸｉａｏｐｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＣＦＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３４（３）：１９１－１９７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１０］ 侯虎灿，张永学，李振林，等．离心泵前置导叶的正交优化设计［Ｊ］．工程热物理学报，２０１５，３６（１２）：２６１８－２６２３．ＨＯＵＨｕｃａｎ，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇｘｕｅ，ＬＩＺｈｅｎｌｉ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｌｅｔｇｕｉｄｅｖａｎｅｉｎａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ，２０１５，３６（１２）：２６１８－２６２３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１１］ 黄志辉，邹晔，魏昌洲，等．基于正交试验及ＣＦＤ的消防泵叶轮优化设计［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１６，３４（１２）：１０４０－１０４４．ＨＵＡＮＧＺｈｉｈｕｉ，ＺＯＵＹｅ，ＷＥＩＣｈａｎｇｚｈｏｕ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＣＦＤｏｎｆｉｒｅｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３４（１２）：１０４０－１０４４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１２］ 郑源，孙奥冉，杨春霞，等．轴流泵多目标优化正交试验［Ｊ］．农业机械学报，２０１７，４８（９）：１３４－１４１．ＺＨＥＮＧＹｕａｎ，ＳＵＮＡｏｒａｎ，ＹＡＮＧＣｈｕｎｘｉａ，ｅｔａｌ．Ｍｕｌｔｉ ｏｂｊｅｃｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆａｘｉａｌ ｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１７，４８（９）：１３４－１４１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１３］ 段小辉，孔繁余，赵瑞杰，等．基于正交试验的炉水循环泵导叶优化设计［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１８，３６（７）：５８０－５８６．ＤＵＡＮＸｉａｏｈｕｉ，ＫＯＮＧＦａｎｙｕ，ＺＨＡＯＲｕｉｊｉｅ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖａｎｅｄ ｄｉｆｆｕｓｅｒｏｆｂｏｉｌｅｒｗａｔｅｒｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，３６（７）：５８０－５８６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］ ＡＴＩＦＡ，ＢＥＮＭＡＮＳＯＵＲＳ，ＢＯＩＳＧ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｖａｎｅｄｄｉｆｆｕｓｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｏｆａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＣｈｉｎａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１１，５４（２）：２８６－２９４．［１５］ 王凯，王文博，刘厚林，等．多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１６，３４（５）：３９２－３９８．ＷＡＮＧＫａｉ，ＷＡＮＧＷｅｎｂｏ，ＬＩＵＨｏｕｌｉｎ，ｅｔａｌ．Ｍａｔｃｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｂｅｔｗｅｅｎｉｍｐｅｌｌｅｒａｎｄｂｏｗｌｄｉｆｆｕｓｅｒｉｎｍｕｌｔｉ ｓｔａｇｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３４（５）：３９２－３９８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑 盛杰）１２０８。
基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟_燕浩
摘要 针对 ２ 从泵 内 空 化 基 本 方 程 出 发， 确立叶顶尖间隙 ７ ０ 型立式轴流泵内部空化对机组性能 的 影 响 ， ８ Ｃ Ｊ －
３ ） 并建立 Ｌ 叶片吸力面流线分布 和叶片进口边外缘修 圆ψ 为 影 响 轴 流 泵 空 化 特 性 的 主 要 因 素 ， 正交 ３ γ、 ９（
Ｙ ａ ｎ Ｈ ａ ｏ Ｌ ｉ ｕ Ｍ ｅ ｉ ｉ ｉ ａ Ｘ ｉ ｎ ｉ ｎ Ｐ ｅ ｎ ｎ ｎ ｑ ｇ Ｌ ｇ ｇ Ｌ ｇ
，Ｗｕ ） ，Ｗｕ （ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｃ ｈ ｙ ｇ ｇ
第４ ２卷 第１ ２期 ２ ０ １ ４年 １ ２月
华 中 科 技 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版） ） ｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ． ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ．＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ．（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｊ ．Ｈ ｇ
·（ 自 然 科 学 版）
第４ ２卷
使叶片压 大型轴流泵 叶 顶 与 端 壁 相 对 运 动 ， 力面高压流体向 吸 力 面 低 压 区 流 动 ， 产生叶顶间
基于正交试验及cfd的消防泵叶轮优化设计
基于正交试验及cfd的消防泵叶轮优化设计消防泵是一种安全性较高、可靠性较强的泵类设备。
在消防领域，消防泵被广泛应用于消防站、医院、广场、机场等场所，保障人身财产安全。
在消防泵中，消防泵叶轮是重要的泵体零部件之一。
其设计的优劣直接影响到消防泵运行效率及安全。
传统的消防泵叶轮设计方法主要通过经验公式来确定叶轮的几何形状和尺寸，而这种设计方法只能保证消防泵基本的设计参数，不能进一步优化叶轮的性能。
为了解决这一问题，现代消防泵叶轮优化设计越来越受到关注。
近年来，基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计方法被广泛应用。
正交试验是一种能够保证最小试验次数，同时覆盖多个试验因素的试验设计方法。
CFD 是 computational fluid dynamics（计算流体动力学）的缩写，它可以在计算机中进行流体流动的数值模拟计算，通过计算流体力学方法求解Navier-Stokes方程，可以预测流体的本质行为。
在消防泵叶轮设计中，正交试验及CFD方法的综合应用可以有效地提高叶轮性能和泵的效率。
在消防泵叶轮的优化设计中，首先需要确定叶轮的几何形状和尺寸，以及泵的运行参数。
然后，采用正交试验方法，根据采用因素的不同，选择不同的试验方案，通过两两组合的方式进行试验，得到理论模拟结果。
最后，通过CFD数值模拟计算，对试验结果进行验证，并根据试验结果进一步调整叶轮的参数和设计，以达到最优化的效果。
通过正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计，可以优化叶轮的设计，进一步提高泵的效率，减少泵的能源消耗，同时还可以提高泵的使用寿命，降低维护成本。
在消防领域，这种优化设计方法被广泛应用，既满足了消防扑救的需求，又符合经济效益和可持续发展的要求。
总之，正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计方法为消防泵叶轮的性能提升提供了有效的途径，是消防领域的一个重要创新。
我们有理由相信，在未来的消防泵领域将继续得到广泛应用，并为消防事业的发展做出更大的贡献。
基于正交法的旋流泵结构优化
ｔ ｒ ｎ ｏ ｒｌｖ ｌ．Ｔｈ ｎ ｔ ｅｏ ｔｍ ｉａｉｎ ｗａ ｅ ｒ ｅ ｏ ｉｐ ｓ ｉｎ ｏ ａ ｉｕ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｏ ｔｉ ｏ ｓａ ｄ ｆ ｕ ｅ ｅｓ ｅ ｈ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｓｐ ｄｏ ｍ ｄ ｆ ｒｄｓ ｏ ｉ ｏ ｆｖ ｒｏ ｓｓｒ ｃｕ ｅｔ ｂ ａｎ ａ ｔ
基于正交法的旋 流泵结构优化
雒 军 ，王 振 ， 万 勇 赵
（．兰州理工大学 能源与动力工程 学院， １ 甘肃 兰州 ７ ０ ５ １ ． ３０ ０ 陕西航天动力 高科技股份有限公司 ， ２ 陕西 西安 ７００） １ １ ０
摘要 ： ８ ｘ １． 对 ０ －３５型旋流泵 的 ７种结构参数重新进行配置， 同时引入 正交试验 法， 设计 一个 ７因素 ４水平 的正交
基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计
基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计(1.无锡职业技术学院机械技术学院, 江苏无锡214121; 2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏镇江 212013)摘要：针对大流量消防泵在使用过程中效率偏低的问题,根据L18(37)正交表,选取Z,β2,φ,d1,b2，T2，d2等7个因素,每个因素取3个水平,设计出18种叶轮模型方案．同时,采用计算流体动力学软件Fluent对18种方案的消防泵内三维定常流动进行数值计算,并对计算结果进行极差分析,研究几何参数对消防泵性能的影响,得到了消防泵几何参数对各性能指标影响的主次顺序,并确定出最终优化模型．结果表明:随着叶片数和叶片包角的增大,消防泵效率得到显著提高,而效率与叶片进口直径呈负相关,即效率随叶片进口直径的增大而减小．同时,对扬程影响最大的因素为叶片数,扬程随叶片数的增大而显著增大,叶片出口安放角对扬程影响很小．对优选消防泵的性能试验结果表明:优选方案在设计工况点较原模型的效率提高了4.5%,满足设计要求,验证了正交设计方法的可行性．关键词：消防泵;叶轮;正交试验;数值模拟;优化设计黄志辉, 邹晔, 魏昌洲，等. 基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(12):1040-1044.HUANG Zhihui, ZOU Ye, WEI Changzhou, et al. Optimization design based on orthogonal experiment and CFD on fire pump impeller[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(12):1040-1044.(in Chinese) 随着社会的不断进步，经济迅猛发展，人口密集，土地昂贵，地标建筑日益涌现，超高层建筑也越来越多，超高层建筑消防灭火问题一直以来都是城市消防的重中之重[1].消防泵是森林灭火、石油及化工火灾扑救、城市应急排水及建筑群火灾扑救的重要设备.传统车载水泵由于采用传统离心式水泵进行吸水，其吸水深度有限.一般当吸深接近9 m时，水泵就无法正常工作[2].特别对于大流量的消防泵，其在使用过程中普遍效率偏低[3].因此，通过优化设计以及正确选型来提高消防泵的工作效率成为研究的热点.杨波[4]提出了一种新型高压活塞式消防泵，该泵采用液压驱动双缸双作用式活塞泵结构，液压系统采用双泵合流、两缸交替错开打水方案，并在油路与水路出水口连接蓄能器吸收脉动，合理控制换向重叠量，保证出水重叠，实现连续供水.蔡亚光等[5]设计了消防泵的汽蚀试验，通过采集包括额定工况在内的3个不同工况点下泵的流量、转速、进口压力值、首级叶轮压力值、大气压力值、试验水温等各项数据，计算得到各个工况点下泵的汽蚀余量与首级叶轮扬程值.绘制3个工况点下的临界汽蚀余量判别曲线，进而绘制出森林消防泵的汽蚀特性曲线，并根据吸水管线的水力损失计算泵的许用安装高度.黄铭科等[6]研究了石油化工用消防泵关死点扬程的不同对流量-扬程曲线的影响.根据消防泵运行要求，给出一种消防泵驱动电动机额定功率的计算方法，并且提出建议将石油化工用消防泵的关死点扬程规定为不高于额定扬程的120%.汪东等[7]通过动力选配和采用三级提压技术，进行了高射程、大流量、轻质量的便携式森林消防泵的结构设计，并运用Fluent软件对所设计的消防泵的内部流场进行数值模拟，从而进一步优化了消防泵的结构.目前国内消防泵的研发和应用尚处于起步阶段，对于消防泵的设计和选型、内部流场的研究等方面都需要进行更为深入的探索.文中通过正交试验，分析不同叶轮参数对泵的影响，提出较优设计方案，拟为消防泵的设计提供参考.1 性能试验以常温清水为试验介质,试验方法按照GB/T 3216—2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2 级》试验方法的规范对优选方案进行试验[8-9],试验装置如图1所示．图1 开式试验装置示意图Fig.1 Schematic of pump test-bed试验中,使用变频控制柜对电动机进行无级调速,其误差小于0.20%;采用电磁流量阀调节流量,其误差小于0.20%;扬程采用压力变送器测量,其误差小于0.10%;功率采用三相PWM专用测试仪,误差小于0.25%．2 正交试验2.1 试验目的文中试验主要考察不同叶轮几何参数对消防泵额定点扬程和效率的影响．针对某型号消防泵(设计工况点流量Q=900 m3/h,扬程H=20 m,转速n=2 000 r/min,比转数ns=386)进行最优设计,其模型泵结构如图2所示．消防泵主要参数：叶轮轮毂直径dh=50 mm,叶轮进口直径Dj=220 mm,叶轮出口直径D2=280 mm,出口宽度b2=80 mm,出口安放角β2=28°,叶轮叶片数Z=4,叶片包角φ=90°;泵体隔舌安放角φ0=45°,泵出口直径Dd=280 mm,泵体基圆D5=290 mm．图2 消防泵结构Fig.2 Structure of a fire pump2.2 试验因素和试验方案的确定根据消防泵的特殊结构设计要求,选取影响消防泵效率及扬程的主要因素,包括叶轮叶片数Z,叶片出口安放角β2,叶轮叶片包角φ,叶片进口直径d1,叶轮出口宽度b2,后盖板斜度T2,后盖板直径d2．表1为设计的正交试验表,其中A为叶片出口宽度b2/mm,B为叶片出口安放角β2/(°),C为叶片数Z,D为叶片包角φ/(°),E为后盖板斜度T2/(°),F为后盖板直径d2/mm,G为叶片进口直径d1/mm．表1 正交试验因素水平Tab.1 Orthogonal test factor and level水平因素ABCDEFG17425380632362262772849065240230380305100672442343 数值模拟在Pro/E中对进口段、叶轮、蜗壳、出口段等组件的建模与装配,如图3所示．图3 建模与装配Fig.3 Modeling and assembly采用ICEM进行了网格划分,网格质量均为0.4以上,其中进水管和出水管可达到0.6以上．为了进行网格无关性分析[10-12],共划分了6组网格,如图4所示,当网格数在2 800 000左右时,泵额定效率值趋于稳定,综合考虑计算精度与计算成本,最后选取网格总数为2 600 000的计算模型．图4 网格无关性检验Fig.4 Inspection of grid independence通过三维定常雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程模型,计算方法采用Segregated隐式方法;进口边界采用速度进口,出口边界采用自由出流;迭代计算时,设定收敛精度为10-4．图5为模型泵试验与模拟性能曲线对比,由图可知,模型泵效率试验值模拟结果和试验结果吻合良好．效率计算值比试验值偏高,最大相对误差为3.49%．可见该数学模型能较准确地预测该泵的外特性,验证了文中采用数值模拟进行正交试验方法的可行性和正确性．图5 模型泵的计算结果与试验结果的对比Fig.5 Comparison of predicted and measured results4 正交试验结果与分析使用与原模型泵相同的数值模拟计算方法,得到18组正交试验方案及其计算结果如表2,3所示．通过极差分析,得到对额定点效率影响和对额定点扬程影响的主次顺序,如表4,5所示．表4以效率η为考察目标,1为因素取水平1时效率在额定点时的平均值,2为取水平2时效率在额定点时的平均值,3为因素取水平3时效率在额定点时的平均值.表5以扬程H 为考察目标,1为因素取水平1时扬程在额定点时的平均值,2为取水平2时扬程在额定点时的平均值,3为因素取水平3时扬程在额定点时的平均值．表2 试验方案Tab.2 Experimental schemes序号因素ABCDEFG17425380632362262742849065240230374305100672 4423447725390652442345772841006723622667730580632402 3078025480672402348802859063244226980303100652362301 0742551006524022611742838067244230127430490632362341 3772541006324423014772858065236234157730390672402261 680255906723623017802831006324023418803048065244226 表3 设计方案计算结果Tab.3 Calculation results of design schemes序号性能参数H/mη/%P/kW119.3472.3665.48223.8781.1072.11325.0082.6774. 09418.1170.3463.07524.4887.2068.80628.1480.0586.12723.9272 .9680.33819.2386.4076.30919.2376.7061.351025.9786.4071.201 118.5171.1963.701223.7178.4474.061323.5185.8367.341426.827 5.8986.591519.275.8961.991627.1381.0781.991718.2674.4960.0 51823.7176.0776.36表4 额定点效率极差分析Tab.4 Efficiency range analysis at rated point平均值因素ABCDEFGK179.1978.6173.5073.1479.5578.6181.22K279.1579.38 80.2280.4978.2578.9879.27K377.9578.3082.5882.6778.4978.707 5.80R1.241.089.089.531.300.375.42表5 额定点扬程极差分析Tab.5 Head range analysis at rated point平均值因素ABCDEFGK122.7322.9918.7821.7423.3123.4523.27K223.3823.14 23.8724.8322.9523.2323.40K323.1923.1726.6622.7423.0422.632 2.64R0.650.187.883.090.360.820.76各列极差值大小表示该因素对指标的影响程度大小,由此可以判断各几何参数对额定点扬程影响由主到次顺序分别为叶片数、包角、后盖板直径、叶片进口直径、出口宽度、后盖板斜度和出口安放角．对额定点效率影响由主到次顺序为包角、叶片数、叶片进口直径、后盖板斜度、出口宽度和出口安放角．就单个因素而言,每个水平值对目标影响程度不一样．为了直观,以因素水平变化为横坐标,各因素各水平所对应的试验指标为纵坐标,做出两者关系图．各因素与效率关系如图6a所示,各因素与扬程关系如图6b所示．从图中可以看出,随着叶片数和叶片包角的增大,效率得到显著提高,说明其是最主要的影响因素．效率与叶片进口直径呈负相关,随叶片进口直径的增大而减小；对扬程影响最大的因素为叶片数,扬程随叶片数增大而显著增大,叶片出口安放角对扬程影响很小．图6 因素与指标关系图Fig.6 Level indicator diagram本次正交试验的目的是设计出高效率的消防泵．为此,对效率进行优化组合,设计出的最优组合为D3C3G1E1A1B2F2,即包角为100°,叶片数为5,叶片进口直径为226 mm,后盖板斜度为63°,出口宽度为74 mm,出口安放角为28°,后盖板直径为240 mm．图7所示为原模型与优化模型试验对比,由图可知,经试验验证优化后模型效率在设计工况下较原模型扬程提高0.4 m,效率提高4.5%．图7 原模型与优化模型试验对比Fig.7 Comparison of original model and optimization model test5 结论1) 数值模拟结果与试验结果变化趋势相同,但是,试验结果略低于数值模拟结果,最大相对误差为3.49%．2) 通过正交设计数值模拟与试验研究,得到影响消防泵效率的因素由主到次依次为φ，Z，d1，T2，b2，β2，d2,研究结果可为消防泵的优化提供指导．3) 通过对18种叶轮模型正交试验结果极差分析,优化后模型效率较原模型提高4.5%,能够满足设计要求．参考文献(：References)[1] 张辑, 陈天翔, 孙园,等. 消防泵自动巡检系统的设计与实现[J]. 机电工程, 2011, 28(11):1363-1367. 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With three levels for each factor, 18 kinds of impeller model programs were established. Then, the computational fluid dynamics (CFD) software Fluent was used to analyze their internal steady flow. By applying range analysis, the influence of the geometric parameters on the fire pump performance were analyzed, obtaining the impact order of these parameters on performance, and ultimately the optimal model was determined. The results show that more blades and larger wrap angle can improve the pump efficiency significantly while the efficiency is negatively correlated with the blade inlet diameter. At the same time, the biggest factor affecting the head is the number of blades with more blades resulting in higher head. The impact of blade outlet angle on the head is very small. Experimental results show that the efficiency of the optimized pump is higher than the original model by 4.5 % at the design point, and also higher than the national standards, which meets the design requirements. The feasibility of the method is verified by the orthogonal design method.Key words：fire pump;impeller;orthogonal experiment;numerical simulation;optimization design doi：??辉doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0224收稿日期：2016-06-22;网络出版：时间： 2016-12-09网络出版地址：/kcms/detail/32.1814.TH.20161209.1006.022 .html基金项目：江苏高校品牌专业建设工程项目(PPZY2015A086)作者简介：黄志辉(1986—),男,江苏泰州人,博士研究生(****************.cn),主要从事流体力学及现代机械设计理论研究．刘厚林(1971—),男,江苏溧水人,研究员,博士生导师(通信作者，*****************.cn),主要从事水泵现代设计理论与方法研究．中图分类号：S277.9; TH311文献标志码：A文章编号：1674-8530(2016)12-1040-05。
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（ ） 文章编号 ： ２ ２ ０ １ ０ ５ ０ ７ ８ ４ ２ ０ １ ５ ０ １ ６ ７ １ ０ － － －
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基于正交试验的轴流泵优化设计
朱荣生１， 朱冬欣２， 龙 云１， 贺 博１， 曹 梁１ 邢树兵１，
（ ） 江苏大学流体机械工程技术研究中心 ， 镇江 ２ 南京航空航天大学能源与动力学院 ， 南京 ２ １． １ ２ ０ １ ３； ２． １ １ １ ０ ６
对轴流泵进行正交试验法优化设计 ， 为了研究 叶 轮 、 导叶、 喇叭管对轴流泵性能的影响， 设计了一个三因素 摘 要 ： 二水平的正交方案 。 对每个方案进行试 验 测 试 ， 通过分析每个试验方案的性能曲线图， 得到了对于各个性能的最优方 案， 对各个方案的试验数据进行极差分析 ， 得到了轴流泵叶轮 、 导叶 、 喇叭管影响性能的主次顺序 。 通过分 析 与 比 较 得 出 最优参数组合 ， 即叶片角度 ψ＝０ 高 度 ＨＬ／ 的叶轮 ， 加导流锥的导叶体 ， 进口直径与叶轮直径比值为 ＤＬ／ ° ５ ６、 Ｄ０ ＝１． Ｄ０ ＝ 轴流泵 效率比规定值高出 ５． 最优组合方案在额定流量点扬程高于设计值 ６． ０． ０ ７％ ， ８ ２ 的喇叭管 。 试验结果表明 ， １ ６％ ， 的高效区较宽 ， 性能达到设计要求 。 正交试验 ； 轴流泵 ； 优化设计 ； 叶轮 ； 导叶体 ； 喇叭管 ； 导流锥 关键词 ： ３ １ １ 文献标识码 ： Ａ ＴＨ 中图分类号 ：
１－４］ 。大量的市场需求对轴流泵的效率和运 广阔的市场前 景 ［
收稿日期 ： ０ ３ ２ ８ １ ４ ２ ０ － － ） ； 基金项目 ： 国家自然科学基金（ 江苏省自然科学基金科 ５ １ ３ ７ ９ ０ ９ １ ； 技项目资 助 （ 江苏高校优势学科建设工 ２ ０ １ ３ ０ ５ １ ６） Ｂ Ｋ 。 程资助项目 （ Ｐ Ａ） Ｐ Ｄ ， 作者简介 ： 邢树兵 （ 主要从事流体机械水力优化 男， 研究生 ， ８ ９ １ ９ －） ： ＿ 设计 。 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｕ ｓ ｘ ｉ ｎ ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ｊ ｇ
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基于正交试验的轴流泵优化设计 邢树兵 朱荣生 朱冬欣 等 素及每个因素的水 平 数 、 设 计 合 适 的 正 交 表、 列出试验方案及 试验结果 、 对正交试 验 设 计 结 果 进 行 极 差 分 析 及 回 归 分 析 、 确 定最优或较优因素水平组合 。 本文 对 于 轴 流 泵 水 力 性 能 优 化 ， 引入 ３ 个 影 响 因 素 ： 叶 轮、 导 叶、 喇 叭 管， 每个因素均取２个水 平， 根据正交法原则 选 取 ３ 因 素 ２ 水 平 进 行 计 算 因 素 水 平 表 ， 因素水平表如表 ２ 所示 。
导叶进行正交优化 ， 利用极差分析找到 影 响 流 道 式 导 叶 性 能 的
６］ 。 王秀礼 等 采 用 正 交 设 计 法 对 旋 流 泵 叶 轮 参 数 进 关键因素 ［
行优化设计 ， 通过数 值 计 算 结 果 的 极 差 分 析 ， 得出最优参数组
７］ 。 黄健勇等通过对正交试验方案 的 数 值 结 果 进 行 分 析 ， 得 合［ ８］ 。但以上正交 到了几何因素对 轴 流 泵 水 力 性 能 的 影 响 规 律 ［
５］ 。周岭等对流道式 计， 有效解决了模型试验周期过 长 的 问 题 ［
０ 引 言
是一种高比转速泵型， 轴流泵具有低扬程 、 大流量的特 点 ， 因其结构简单和使 用 方 便 ， 灌溉 、 市政给排水 、 船舶推进等方面 ， 具有很大的应用价值和
Ａ ｘ ｆ ｌ ｉ ａ ｌ ｏ ｗ Ｐ ｕ ｍ Ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ － ｐ ｐ ｇ ｇ ｐ
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