CFD技术在离心泵优化设计中的应用

刘晓影

摘 要：现阶段，CFD技术和优化算法得到了显著改善，诸多研究都以流畅分析与优化算法为基础，改进了叶轮性能，也就是以效率和总压等为参数，不断改善目标函数。通过对叶片几何参数进行不断改进和完善，实现叶型的最优化。同时，最近几年诸多学者纷纷投入到离心泵优化设计的研究行列之中，得出一些优化方式可以对离心泵流动状况予以改善，并降低边界层内出现的流动损失。对此，本文主要对CFD技术在离心泵优化设计中的应用进行了探讨，以供参考。

关键词：CFD技术;离心泵;优化设计

现阶段，CFD和计算机技术的发展速度越来越快，CFD受到了设计人员的一致欢迎，其在优化改型设计、模拟真实流场中的应用极为广泛，进而有利于设计研究人员可以更好地有机结合正反问题，将和水力要求相符的转轮设计出来[1]。作为应用广泛的一种流体机械，离心泵长时间以来仍存在诸多问题，如特性曲线不稳定、汽蚀性能不好、效率低等，在设计理论的不断完善下，设计人员可以借助流场分析将数据得到，修改设计，最终把性能较好的离心泵获得。

1 叶轮几何的参数化拟合

为了进一步提高离心泵设计的科学性和合理性，应针对叶轮几何模型，积极进行参数化控制，借助B样条曲线和Bezier曲线对叶轮参数化进行拟合，叶轮参数化拟合主要囊括和流面上二维叶型截面不同的参数化、积叠线的定义、流面的定义、流面的定义[2]。在对拟合曲线的类型进行选择的时候，应将全面考虑几何模型在结构方面的特点，在目标叶轮前、后盖板流线进、出口处，均存在着一段直线，对此，应选择Line组合曲线以及Bezier曲线将子午面流线拟合出来。因为目标叶片叶片具有十分复杂的形状，同时扭曲较大，因此对8个二维截面进行定义，的促成三味目标叶型，进而确保参数化叶信可以和目标页型更相近。叶型中弧线借助三阶Bezier曲线展开控制工作，而叶片压力边和吸力边则是借助五阶Bezier曲线展开控制工作。同时，二维叶型前、尾缘分别为圆型、钝型，积叠线是叶型后缘。将Bezier-Line-Bezier组合曲线作为叶片积叠线的周向定位（图1）。拟合工作结束之后，如果目标几何和参数化几何之间数据对比存在差异，且差异在10-4则表示参数化几何十分吻合目标叶型，同时拟合结构和优化设计的要求相符。

图1    叶片积叠线的周向定义

2 优化设计数学模型的建立

叶轮优化设计的数学模型主要由三部分组成，即约束条件、目标函数和设计变量[3]。在优化中对变量这种参数进行设计，变动性非常强。设计变量数目的多少直接关系到能否轻松获得最优叶型，但同时却会增加求解问题的计算时间，使之变得更加复杂，若设计变量过少，则无法将最优结构求出来。所以，要对设计变量对叶轮性能的影响进行综合考虑，在选择设计变量时以起决定性作用的部分参数为主。文中所选择的优化设计变量为控制叶片积叠线周向定位的两个参数，如图1所示的a2和a3立足于工程实际情况，设定相关变量值时应考虑到各种约束性条件，逐渐构建起计算可行域。一旦构建相对应的模型后，从而寻求变量最佳的组合。广泛查询资料，通过大量实验，-3°～3°为最佳的变量约束范畴。作为待最优化的函数，目标函数应包含设计变量和目标函数两个重要内容，以此來进一步提高叶轮效率，也就是：ηimp（α2，α3）→max。

式中：ηimp指的是叶轮的效率，优化变量α2是拟合叶片积叠线周向位置的组合曲线Bezier-Line-Bezier中直线段和竖直方向的夹角;优化变量α3是拟合叶片积叠线周向位置的组合曲线中span=1处第二条Bezier曲线和竖直方向的夹角。

3 优化算法和优化过程

通过对遗传算法与人工神经网络方法予以联合使用来对叶轮展开优化计算[4]。其实，遗传算法也是进化算法的一种，借助对群体搜索技术的使用，以初始群体为基础，将较好的个体作为父代，通过对父代个体多次执行遗传操作，如选择、变异和交叉等来达到生成新种群的目的，经过几代进化，让种群囊括进性能更加的个体。在优化设计离心泵叶轮过程中，最难的地方在于对目标函数和优化变量之间的定量关系予以构建。本次优化通过对完全随机设计法予以利用，在设计变量的约束范围中随机取值，一共生成了21个周向控制参数不同的叶轮样本组成初始数据库。

4 结语

CFD技术在离心泵优化设计中运用，作用极为显著，本文立足于获得的流场信息改型设计离心泵，提出了以CFD数据分析为基础的离心泵叶轮优化设计方法。通过优化算例可知，CFD数值分析技术效果显著，同时数值模拟方法将离心泵的开发周期显著缩短了，可以促进离心泵设计质量显著提升[5]。

参考文献：

[1]赵伟国，王丹，刘在伦.基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计[J].兰州理工大学学报，2017（05）：62-65.

[2]孙向龙.基于CFD的矿井用离心泵叶轮抗汽蚀优化设计[J].世界有色金属，2018，510（18）：209-210.

[3]侯敬婷.CFD技术在卧式中开多级离心泵设计中的应用[J].广州化工， 2015， 43（9）：168-171.

[4]周斌.基于CFD的低比转速离心泵的优化设计[J].现代制造技术与装备， 2017（9）：1-2.

[5]姚尧.多级离心泵水力性能分析及优化设计[D].湘潭：湘潭大学，2017.