本發(fā)明涉及一種軸流泵葉輪全工況設(shè)計(jì)方法，屬于水利與動(dòng)力工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的軸流泵設(shè)計(jì)方法是只按設(shè)計(jì)工況的單設(shè)計(jì)方法，即按照使用場(chǎng)合提出某一組設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程值，進(jìn)行整臺(tái)泵的設(shè)計(jì)，而所謂的設(shè)計(jì)工況事實(shí)上只是揚(yáng)程-流量(H-Q)性能曲線上的一點(diǎn)。用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)，只是在理想流體和理想化的流動(dòng)條件下保證設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能，至于非設(shè)計(jì)工況下的性能，在設(shè)計(jì)中無法保證，或只能從試驗(yàn)得出。而多數(shù)情況下，應(yīng)用軸流泵的現(xiàn)場(chǎng)，其使用要求不能固定在設(shè)計(jì)工況，大部分時(shí)間處于非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。軸流泵的設(shè)計(jì)要求應(yīng)該為：盡量高的效率，合適的性能曲線和良好的空化特性。而傳統(tǒng)的軸流泵設(shè)計(jì)方法片面的追求設(shè)計(jì)工況下較高的效率要求，忽略了其他的水力性能要求。因此，傳統(tǒng)的這種設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)方法將越來越不能滿足日益復(fù)雜的生產(chǎn)需求，這種軸流泵葉輪傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)方法的缺陷主要有以下幾個(gè)方面：1.方法的理論是歐拉方程，而歐拉方程只是建立了外特性參數(shù)與軸流泵葉輪進(jìn)出口速度之間的關(guān)系，對(duì)于葉輪內(nèi)部流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)沒有分析，盡管有些設(shè)計(jì)考慮了液體粘滯性影響，進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)公式的修正，但仍然過于粗糙。2.設(shè)計(jì)過程針對(duì)軸流泵葉輪本身，沒有考慮導(dǎo)葉、進(jìn)出水流道等過流部件對(duì)軸流泵內(nèi)部流動(dòng)及軸流泵性能的影響。特別是設(shè)計(jì)工況，只能說基本滿足設(shè)計(jì)工況的要求。3.設(shè)計(jì)過程過分簡(jiǎn)化，人為因素較大，誤差大。4.非設(shè)計(jì)工況下軸流泵的性能無法兼顧，設(shè)計(jì)工況下的效率也只能達(dá)到所統(tǒng)計(jì)資料的水平，很難進(jìn)一步提高。5.設(shè)計(jì)是依次進(jìn)行的，沒有考慮上下游之間和各種損失之間的相互影響。然而隨著數(shù)值模擬技術(shù)和數(shù)值優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，以及針對(duì)軸流泵葉輪設(shè)計(jì)理念的革新，本發(fā)明專利提出了一種軸流泵全工況設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種軸流泵葉輪全工況設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用反問題設(shè)計(jì)法，考慮多個(gè)工況點(diǎn)多個(gè)目標(biāo)對(duì)軸流泵進(jìn)行全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)泵裝置的水力性能進(jìn)行整體計(jì)算，根據(jù)泵裝置計(jì)算結(jié)果來確定軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案。在計(jì)算時(shí)，通過CFX流動(dòng)仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算精度高，優(yōu)化結(jié)果可靠。實(shí)例優(yōu)化設(shè)計(jì)表明：設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率有所提高，但增加幅度不明顯，但大流量工況點(diǎn)效率和小流量工況效率提高較為明顯，其中大流量工況點(diǎn)效率提高了約7.4％，小流量工況點(diǎn)效率提高了約2.6％，高效區(qū)范圍明顯變寬，優(yōu)化設(shè)計(jì)效果明顯。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種軸流泵葉輪全工況設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：(1)軸流泵葉輪參數(shù)化建模:選擇軸流泵葉輪的k個(gè)翼型斷面葉柵稠密度和翼型安放角值共計(jì)2k個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)；(2)全工況優(yōu)化設(shè)計(jì):第一，先確定該葉輪常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)流量Q，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H，轉(zhuǎn)速n，葉頂單邊間隙，單位為mm；葉輪葉片數(shù)、軸流泵葉輪輪轂比dd；接著對(duì)軸流泵葉輪設(shè)計(jì)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，綜合分析泵內(nèi)各項(xiàng)損失，以總損失最小初步設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)工況下水力性能較優(yōu)的一付軸流泵葉輪；第二，再針對(duì)該葉輪進(jìn)行導(dǎo)葉、導(dǎo)水錐以及進(jìn)出水流道的設(shè)計(jì)，確定導(dǎo)葉體擴(kuò)散角度、導(dǎo)葉葉片數(shù)、導(dǎo)水錐及進(jìn)出水流道的尺寸；第三，最后通過Isight數(shù)值優(yōu)化平臺(tái)集成CFX數(shù)值優(yōu)化軟件，將葉輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)水錐及進(jìn)出水流道整合成泵裝置，以泵裝置全工況的加權(quán)平均效率最優(yōu)為目標(biāo)，揚(yáng)程為約束條件，選用梯度優(yōu)化算法的序列二次規(guī)劃法，不斷改變軸流泵葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)泵裝置進(jìn)行迭代數(shù)值計(jì)算，通過迭代，最終找到使泵裝置綜合效率最高的軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)選的，所述參數(shù)化建模中葉柵稠密度的計(jì)算方法：通過改變?nèi)~尖葉柵稠密度值a1和葉根葉柵稠密度倍數(shù)a2,改變各斷面葉柵稠密度值，葉柵稠密度l/t(i)的計(jì)算公式為：l/t(i)＝n+m/r(i)m＝(a2-1)*a1/(1/dd-1)n＝a1-m其中，a1為葉尖葉柵稠密度值；a2為葉根葉柵稠密度倍數(shù)；dd為輪轂比；n,m為中間計(jì)算量；i＝1-k，k為翼型斷面總數(shù)；r(i)為第i個(gè)斷面的相對(duì)半徑值，即各斷面半徑與葉輪半徑的比值；l/t(i)為第i個(gè)斷面的葉柵稠密度值。優(yōu)選的，所述參數(shù)化建模中翼型安放角的計(jì)算方法為：根據(jù)初始設(shè)計(jì)工況的葉輪k個(gè)斷面的翼型安放角值，通過用二次多項(xiàng)式對(duì)這十個(gè)翼型安放角進(jìn)行擬合，擬合得到翼型安放角β與相對(duì)半徑值r之間的關(guān)系：β＝a3-a4*r+a5*r2定義此二次多項(xiàng)式三個(gè)系數(shù)為a3，a4，a5為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，通過控制這三個(gè)系數(shù)a3，a4，a5值的改變來控制各斷面翼型安放角的變化，實(shí)現(xiàn)葉輪葉片的參數(shù)化造型。優(yōu)選的，所述全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)在工況選擇時(shí)，選取三個(gè)流量工況點(diǎn)，分別選擇設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)、小流量工況點(diǎn)和大流量工況點(diǎn)：設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)為Q0，則小流量工況點(diǎn)Q?。?0.7-0.9)*Q0，大流量工況點(diǎn)Q大＝(1.1-1.3)*Q0；三個(gè)流量工況下，揚(yáng)程小范圍的變化，不斷的改變軸流泵葉片設(shè)計(jì)變量的值，使得三個(gè)流量工況點(diǎn)泵裝置的效率都達(dá)到最優(yōu)值，以拓寬軸流泵裝置的高效區(qū)范圍，進(jìn)而確定軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化模型如下：目標(biāo)函數(shù)：maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x)(1)設(shè)計(jì)變量:x＝[al，a2，a3，a4，a5]T其中η1、η2和η3分別是小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況的效率；w1、w2和w3分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，權(quán)重值根據(jù)泵站小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間確定；H1、H2和H3分別為小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況的揚(yáng)程，單位m；針對(duì)設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)的葉輪為初始方案，對(duì)應(yīng)葉輪的初始設(shè)計(jì)變量值為A1、A2、A3、A4、A5。優(yōu)選的，所述H2變化范圍取值0-0.2m；H1、H3變化范圍取值0-1m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：第一，采用CFD數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)精度高，優(yōu)化結(jié)果可靠。通過計(jì)算泵裝置水力性能確定軸流泵葉輪的最終設(shè)計(jì)方案，充分考慮泵裝置各通流部件以及各種水力損失的相互影響，提高了泵裝置各工況點(diǎn)的效率，獲得的高效區(qū)更寬的泵裝置效率曲線，得到了更加合適的水泵性能曲線。第二，隨著跨流域調(diào)水工程的建設(shè)、國(guó)家大型和中小型泵站技術(shù)改造的實(shí)施，共計(jì)成千上萬座泵站需要進(jìn)行新建和更新改造，而且對(duì)水泵性能要求越來越高，因此本專利的應(yīng)用和實(shí)施，將會(huì)取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。附圖說明圖1為軸流泵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。圖2為泵裝置數(shù)值計(jì)算模型。圖3為優(yōu)化前后泵裝置性能曲線。其中圖2中1.進(jìn)水管2.葉輪3.導(dǎo)葉體4.出水管。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)該軸流式葉輪作進(jìn)一步說明。1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題1)采用CFD數(shù)值計(jì)算作為學(xué)科分析方式，設(shè)計(jì)精度高，避免人工憑經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式。2)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，兼顧非設(shè)計(jì)工況下的水力性能，盡可能拓寬高效區(qū)范圍，得到更為合適的性能曲線。3)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，盡可能的提高各流量工況點(diǎn)的效率，還應(yīng)該具有良好的汽蝕性能。4)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)值計(jì)算的泵裝置的水力性能最優(yōu)來確定軸流泵葉輪的最終設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)依次設(shè)計(jì)不同，充分考慮泵裝置各通流部件以及各種損失之間的相互影響。2、本發(fā)明的技術(shù)方案1)軸流泵葉輪參數(shù)化建模一般軸流泵葉輪設(shè)計(jì)時(shí)，將軸流泵葉片均分成11個(gè)二維的翼型斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)。再將設(shè)計(jì)好的各斷面翼型光滑組合成軸流泵葉輪。軸流泵葉片設(shè)計(jì)參數(shù)很多，通過改變軸流泵各斷面葉柵稠密度和翼型安放角可以很方便的改變軸流泵葉片的形狀。本發(fā)明專利中，葉柵稠密度(l/t)是軸流泵葉片設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，l：是指翼型斷面弦長(zhǎng)；t＝2πr/z，其中z是葉片數(shù)，r是該翼型斷面所在的半徑值。葉尖葉柵稠密度是指葉片最外緣的翼型斷面的葉柵稠密度值，葉根葉柵稠密度就是輪轂處的翼型斷面的葉柵稠密度值。葉根葉柵稠密度倍數(shù)是指葉根葉柵稠密度與葉尖葉柵稠密度的比值，例如：葉尖葉柵稠密度是0.82，葉根葉柵稠密度倍數(shù)是1.4，則葉根葉柵稠密度＝葉尖葉柵稠密度0.82*葉根葉柵稠密度倍數(shù)1.4＝1.148。中間各斷面葉柵稠密度從葉尖到葉根按線性變化。翼型安放角即各斷面翼型所在的弦長(zhǎng)與水平線之間的夾角。11個(gè)翼型斷面就有22個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在優(yōu)化時(shí)會(huì)大大降低葉片優(yōu)化的效率，而通過擬合發(fā)現(xiàn)，軸流泵各斷面葉柵稠密度成線性關(guān)系，因此只需要通過改變?nèi)~尖葉柵稠密度和葉根葉柵稠密度倍數(shù)即可以改變11個(gè)斷面葉柵稠密度值；而11個(gè)斷面翼型安放角成二次方關(guān)系。即：β＝a1-a2*r+a3*r2,只需要改變二次方關(guān)系的三個(gè)系數(shù)即可改變11個(gè)斷面的翼型安放角值。輪轂比和葉片數(shù)根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)推薦值選取。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需改變以上5個(gè)變量的值即可改變軸流泵葉片的扭曲形狀，進(jìn)而改變軸流泵裝置的水力性能，提高優(yōu)化的效率，縮短設(shè)計(jì)的周期。通過fortran編寫的程序即能實(shí)現(xiàn)改變這5個(gè)變量的值進(jìn)而改變軸流泵葉片的形狀。2)全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)本發(fā)明專利設(shè)計(jì)軸流泵葉輪的基本思路：先對(duì)軸流泵葉輪根據(jù)設(shè)計(jì)工況按照理想流動(dòng)狀況、真實(shí)液體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，綜合分析泵內(nèi)各項(xiàng)損失，以總損失最小初步設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)工況下水力性能最優(yōu)的一付軸流泵葉輪，確定該葉輪的幾何形狀和各設(shè)計(jì)參數(shù)。再針對(duì)該葉輪進(jìn)行導(dǎo)葉、導(dǎo)水錐以及進(jìn)出水流道的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)該葉輪進(jìn)行參數(shù)化建模，以能夠通過改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)方便的改變軸流泵葉輪的幾何形狀。最后通過iSIGHT數(shù)值優(yōu)化平臺(tái)集成CFX數(shù)值優(yōu)化軟件，將各通流部件整合成泵裝置，以泵裝置全工況的加權(quán)平均效率最優(yōu)為目標(biāo)，揚(yáng)程為約束條件，不斷改變軸流泵葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)泵裝置進(jìn)行迭代計(jì)算，通過迭代，最終找到使泵裝置綜合效率最高的軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)工況確定：全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)在工況選擇時(shí)，主要選取三個(gè)流量工況點(diǎn)，分別選擇設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)、小流量工況點(diǎn)和大流量工況點(diǎn)。如：設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)為Q0，則小流量工況點(diǎn)Q?。?.8*Q0，大流量工況點(diǎn)Q大＝1.2*Q0。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)：多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)各流量工況點(diǎn)的效率要比較高，以拓寬性能曲線的高效區(qū)范圍。各工況點(diǎn)效率在優(yōu)化時(shí)采用歸一化處理，即maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x)，其中η1、η2和η3分別是小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況的效率。w1、w2和w3分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。權(quán)重值根據(jù)泵站各流量工況點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間確定。優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件：約束條件主要為各工況點(diǎn)的揚(yáng)程，以及設(shè)計(jì)點(diǎn)的汽蝕性能要求。為了保證軸流泵葉輪在優(yōu)化前后都能滿足同一座泵站的運(yùn)行要求，其名義比轉(zhuǎn)速保持一致，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程變化范圍應(yīng)盡可能小，變化范圍建議取值0～0.2m，其他設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程變化范圍建議取值0～1m。視泵站具體情況而定。由于汽蝕性能在非設(shè)計(jì)工況時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算誤差較大，因此在全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可單考慮設(shè)計(jì)工況的必需汽蝕余量要求，必需汽蝕余量越小越好。不同葉輪必需汽蝕余量值變化較大，為保證葉輪具有較好的汽蝕性能，可視具體葉輪確定必需汽蝕余量的約束值。優(yōu)化算法的選擇：軸流泵全工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是有約束的、非線性、多目標(biāo)并且解不唯一的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，選用梯度優(yōu)化算法的序列二次規(guī)劃法(SequentialQuadraticProgramming，SQP)。該方法能夠直接處理等式和不等式約束，是目前公認(rèn)的優(yōu)秀的非線性問題求解算法之一。具有很好的全局收斂和局部超線性收斂特性，迭代次數(shù)少，收斂速度快，具有很強(qiáng)的邊界收索能力，對(duì)于本文設(shè)計(jì)變量少，約束條件不多的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題尤其適用。學(xué)科分析：學(xué)科分析采用CFD數(shù)值計(jì)算方法，傳統(tǒng)優(yōu)化方法是依次進(jìn)行的，只針對(duì)設(shè)計(jì)工況下軸流泵葉輪(單泵)的水力性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后根據(jù)優(yōu)化的葉輪進(jìn)行導(dǎo)葉以及流道的設(shè)計(jì)，忽略了葉輪、導(dǎo)葉等通流部件之間的相互影響。本發(fā)明專利的又一大創(chuàng)新點(diǎn)在于，優(yōu)化時(shí)采用CFD數(shù)值計(jì)算，計(jì)算多個(gè)流量工況點(diǎn)泵裝置(包括葉輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)水錐以及進(jìn)、出水流道)的水力性能，充分考慮到軸流泵裝置各通流部件以及各種水力損失之間的相互影響。技術(shù)原理：軸流泵裝置在設(shè)計(jì)工況下各個(gè)通流部件中液體的流動(dòng)可認(rèn)為是最佳的流動(dòng)狀態(tài)，近似于理想流動(dòng)。但在實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，由于水的粘滯性等因素的影響，在軸流泵內(nèi)部及各通流部件中將會(huì)產(chǎn)生漩渦、回流、失速和脫流等不良流態(tài)，這些不良流態(tài)將會(huì)隨著偏離設(shè)計(jì)工況的程度而逐漸加劇。因此，在設(shè)計(jì)軸流泵時(shí)，不能只著眼于設(shè)計(jì)工況的水力性能要求，要考慮并重視非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的水力性能要求。本發(fā)明專利運(yùn)用反問題設(shè)計(jì)法，考慮多個(gè)工況點(diǎn)多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)軸流泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)泵裝置的水力性能進(jìn)行整體計(jì)算，根據(jù)泵裝置計(jì)算結(jié)果來確定軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案。在計(jì)算時(shí)，通過CFX流動(dòng)仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算精度高。改變軸流泵葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，改善或延遲軸流泵裝置內(nèi)部的不良流態(tài)，以達(dá)到提高各流量工況點(diǎn)效率的目的。3、有益效果采用CFD數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)精度高，優(yōu)化結(jié)果可靠。通過計(jì)算泵裝置水力性能確定軸流泵葉輪的最終設(shè)計(jì)方案，充分考慮泵裝置各通流部件以及各種水力損失的相互影響，提高了泵裝置各工況點(diǎn)的效率，獲得的高效區(qū)更寬的泵裝置效率曲線，得到了更加合適的水泵性能曲線。實(shí)施例1運(yùn)用本發(fā)明專利優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)某一名義比轉(zhuǎn)速為800的軸流泵葉輪進(jìn)行全工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Q＝360L/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H＝6.0m，轉(zhuǎn)速n＝1450r/min，葉頂單邊間隙為0.2mm。后置導(dǎo)葉體為針對(duì)該葉輪的設(shè)計(jì)工況而針對(duì)設(shè)計(jì)的，導(dǎo)葉體的擴(kuò)散角為6°，導(dǎo)葉葉片數(shù)7片，葉輪葉片數(shù)4片，軸流泵葉輪輪轂比為0.4333。進(jìn)水直管段和出水彎管段采用Proe建模，葉輪和導(dǎo)葉體根據(jù)其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用Turbo-Grid建模。軸流泵裝置計(jì)算模型如圖2所示。1.數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分：進(jìn)水直管段和出水彎管段采用ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上；軸流泵葉輪和導(dǎo)葉體在Turbo-Grid中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量較好，能夠滿足計(jì)算要求。軸流泵葉輪網(wǎng)格數(shù)為330928，導(dǎo)葉體網(wǎng)格數(shù)為365274，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為1215277。在計(jì)算迭代時(shí)，葉輪網(wǎng)格數(shù)保持相當(dāng)，其他部件網(wǎng)格數(shù)保持不變。邊界條件設(shè)置：泵裝置計(jì)算域進(jìn)口為進(jìn)水管的進(jìn)口，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為總壓條件，即進(jìn)口處總壓設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。泵裝置計(jì)算域出口為出水彎管段出口，出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量出口，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其余計(jì)算域均為靜止域。動(dòng)靜交界面采用速度平均的stage模型，靜靜交界面采用None交界面模型。2.軸流泵葉輪參數(shù)化建模本發(fā)明專利在參數(shù)化建模時(shí)選擇改變軸流泵葉輪11個(gè)翼型斷面葉柵稠密度和翼型安放角值共22個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以很方便的改變軸流泵葉片形狀。葉柵稠密度：通過改變?nèi)~尖葉柵稠密度值(a1)和葉根葉柵稠密度倍數(shù)(a2),可以很方便的改變11個(gè)斷面葉柵稠密度值。程序如下：a1；a2；dd＝0.4333m＝(a2-1)*a1/(1/dd-1)n＝a1-mdoi＝1,kl/t(i)＝n+m/r(i)enddo其中，a1為葉尖葉柵稠密度值；a2為葉根葉柵稠密度倍數(shù)；dd為輪轂比；n,m為中間計(jì)算量；k為翼型斷面數(shù)，本例中共11個(gè)斷面；r(i)為第i個(gè)斷面的相對(duì)半徑值，即各斷面半徑與葉輪半徑的比值，本實(shí)例中從輪緣到輪轂分別為：1.000000；0.9370334；0.8740667；0.8111000；0.7481333；0.6851667；0.6222000；0.5592333；0.4962667；0.4333000；0.36667；l/t(i)為第i個(gè)斷面的葉柵稠密度值。本實(shí)例輪轂比為固定值，因此只需給出葉尖葉柵稠密度值及葉根葉柵稠密度即可得到每個(gè)斷面的葉柵稠密度值，從而方便的控制軸流泵葉片幾何形狀。翼型安放角：本實(shí)例根據(jù)初始設(shè)計(jì)葉輪11個(gè)斷面的翼型安放角值，通過用二次多項(xiàng)式對(duì)這十個(gè)翼型安放角進(jìn)行擬合，擬合得到翼型安放角與相對(duì)半徑值之間的關(guān)系：βm＝90.504-129.96.4r+57.26r2定義此二次多項(xiàng)式三個(gè)系數(shù)為a1，a2，a3優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，通過控制這三個(gè)系數(shù)值的改變來控制各斷面翼型安放角的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)葉輪葉片的參數(shù)化造型。3.優(yōu)化設(shè)計(jì)通過CFX數(shù)值分析軟件及Isight數(shù)值優(yōu)化軟件對(duì)軸流泵進(jìn)行全工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過計(jì)算軸流泵裝置的水力性能來確定軸流泵的葉輪的最終設(shè)計(jì)方案。1)工況確定：本文研究全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了得到更好的性能曲線，選取大流量、小流量和設(shè)計(jì)流量三個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)工況Q＝360L/s，選定設(shè)計(jì)流量的0.8倍左右和1.2倍左右作為小流量工況和大流量工況，本發(fā)明為研究方便，取整數(shù)，即小流量工況取Q＝300L/s，大流量工況取Q＝420L/s。2)優(yōu)化算法：針對(duì)有約束的、非線性、多目標(biāo)并且解不唯一的軸流泵裝置多工況水力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，選擇梯度優(yōu)化算法的序列二次規(guī)劃法(SequentialQuadraticProgramming，SQP)。3)優(yōu)化模型建立：優(yōu)化的目的是在軸流泵葉輪設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化范圍內(nèi)，在約束條件下，尋找設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)值，使得軸流泵裝置三個(gè)工況點(diǎn)的效率最優(yōu)。對(duì)軸流泵全工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題定義為：三個(gè)流量工況下，揚(yáng)程小范圍的變化，不斷的改變軸流泵葉片設(shè)計(jì)變量的值，使得三個(gè)流量工況點(diǎn)泵裝置的效率都達(dá)到最優(yōu)值，以拓寬軸流泵裝置的高效區(qū)范圍，進(jìn)而確定軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)方案。本實(shí)例以針對(duì)設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)的葉輪為初始方案，對(duì)應(yīng)葉輪的初始設(shè)計(jì)變量為：a1＝0.9885，a2＝1.2897，a3＝90.504，a4＝-129.96，a5＝57.26。優(yōu)化模型如下：目標(biāo)函數(shù)：maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x)(1)設(shè)計(jì)變量:x＝[al，a2，a3，a4，a5]T式中，η1、η2和η3分別是小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況的效率。w1、w2和w3分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。權(quán)重值應(yīng)該根據(jù)各工況點(diǎn)泵站實(shí)際運(yùn)行時(shí)間確定。本實(shí)例權(quán)重值分別取w1＝0.3、w2＝0.4和w3＝0.3。H1、H2和H3分別為各工況點(diǎn)的揚(yáng)程，單位m。為了保證優(yōu)化設(shè)計(jì)之后軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)不變，比轉(zhuǎn)速保持一致，因此設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程變化范圍盡可能小，其他2個(gè)工況點(diǎn)揚(yáng)程變化范圍可以稍大。4)優(yōu)化結(jié)果：不斷改變軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)變量，在揚(yáng)程約束范圍內(nèi)，使得軸流泵裝置3個(gè)工況點(diǎn)的總效率最高。在經(jīng)過不斷迭代計(jì)算，得到了軸流泵葉輪的最終設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化結(jié)果與初始結(jié)果對(duì)比如表1所示。表1泵裝置數(shù)值優(yōu)化結(jié)果根據(jù)表1結(jié)果可知，葉尖葉柵稠密度減小，外緣翼型長(zhǎng)度減小，葉根葉柵稠密度倍數(shù)增加，減小了內(nèi)外翼型的長(zhǎng)度差，均衡葉片出口揚(yáng)程，減小了徑向流動(dòng)，提高了葉輪的水力性能；同時(shí)根據(jù)翼型安放角擬合系數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，輪緣側(cè)翼型安放角增大，輪轂側(cè)翼型安放角有所減小，減小了葉輪葉片形狀的扭曲，改善了翼型的工作條件，這與軸流泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路一致。優(yōu)化結(jié)果表明，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率有所提高，但增加幅度不明顯，但大流量工況點(diǎn)效率和小流量工況效率提高較為明顯，其中大流量工況點(diǎn)效率提高了7.4％，小流量工況點(diǎn)效率提高了2.6％，優(yōu)化效果明顯。將其余各工況點(diǎn)泵裝置水力性能通過數(shù)值模擬計(jì)算并與優(yōu)化前軸流泵裝置水力性能對(duì)比，如圖3所示。根據(jù)圖3優(yōu)化前后泵裝置性能曲線圖可知，優(yōu)化后軸流泵裝置小流量工況和設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程稍有降低，但是效率有所提高；大流量工況揚(yáng)程有所升高，效率也有所提高。優(yōu)化后效率曲線整體抬高，高效區(qū)范圍變寬，提高了泵站運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了泵站運(yùn)行成本，泵裝置優(yōu)化效果十分明顯。1)提出了一套完整的基于數(shù)值分析和數(shù)值優(yōu)化技術(shù)的軸流泵裝置多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，該方法能夠大大降低軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)成本，縮短優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。2)采用CFD計(jì)算的學(xué)科分析方式，結(jié)合試驗(yàn)研究的手段取代人工憑經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化方式，提高了優(yōu)化結(jié)果的可信度，同時(shí)也證實(shí)了軸流泵裝置多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性、高效性。3)軸流泵裝置小流量工況點(diǎn)效率提高約2.6％，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率提高約0.5％，大流量工況點(diǎn)效率提高最多，約7.4％。優(yōu)化后軸流泵裝置高效區(qū)明顯變寬，大大的降低了泵站運(yùn)行成本，優(yōu)化效果十分明顯。