高比转速混流泵的优化设计理论研究

泵是耗能大户，提高泵的运行效率具有重要的节能意义。本课题旨在深入研究混流泵内部流动机理和传统设计方法的基础上，提出全新的高比转速混流泵叶轮三元设计理论与设计方法，在此基础上建立混流泵叶轮三元设计平台；通过数值模拟与试验研究深入探索各类参数（如速度矩沿流线分布规律、叶轮和叶片几何参数等）对于叶轮水力性能的影响，寻求各类参数与叶轮性能参数之间的响应关系，据此建立混流泵叶轮性能预估平台；基于以上两个平台，以叶轮效率为优化目标、空化性能和稳定性为限定性条件，以有关重要参数（如速度矩沿流线分布规律、叶片进出口边位置参数、轴面流道几何参数等）为优化变量，采用全局寻优的优化算法，最终建立混流泵叶轮优化设计平台。基于上述三个平台，形成集三元理论设计、性能预估及优化为一体的高比转速混流泵叶轮全自动优化设计体系。力求通过该体系的建立，推动我国混流泵的研究和设计水平上一个新的台阶。

本课题紧紧围绕申请书提出的混流泵设计、性能预估和优化算法三个方面内容开展研究工作，经过4年的努力，初步建立了一个集三元理论设计、性能预估及优化为一体的高比转速混流泵叶轮优化设计体系。取得的成果主要有：. 1、提出了混流泵叶轮设计的正反问题迭代法，并基于这一方法建立了混流泵叶轮三元设计平台。该平台实现了设计过程中正、反问题的相互反馈，正问题为反问题提供了轴面流场信息，反问题为正问题提供了三维叶轮模型，流场信息的变化通过反问题反馈为叶片形状的变化，叶片形状的变化通过正问题反馈为流场分布的变化。这一反馈机制与传统的设计理论完全不同：① 反问题设计中轴面速度的计算同时满足流体运动的动量方程与连续方程，更加符合实际的空间流动，克服了传统设计计算方法中流场仅满足连续方程的缺陷；② 反问题设计中轴面速度的计算充分考虑了叶片形状与厚度的影响，克服了传统设计计算方法中轴面速度的计算忽略叶片形状与厚度影响的缺陷。因此，本项目提出的叶轮设计正反问题迭代法是一种理论上更加完善的设计方法。在反问题设计中，还提出了可控载荷叶片绘型方法；保角变换加厚和叶片头、尾部的修圆方法。.2、建立了以准三元流场计算为基础、通过损失建模预测性能的混流泵叶轮性能预估平台。通过理论分析推导与简化内部流动，依照各类损失发生的位置与机理，分别在混流泵流道进口段、叶轮区和出口段构建了相应的损失模型。通过引入以S1、S2流面迭代为基础的准三元计算方法，实现了流场的快捷、准确计算，有效地提升了损失模型预测的精度，为过流部件的优化设计提供了一个重要的工具和数值试验平台。.3、基于三元设计平台与性能预估平台，通过改进遗传算法，建立了混流泵叶轮优化设计平台。引入保存最优个体和小生境两个策略改进了传统的遗传算法，在深入分析讨论影响叶轮性能关键参数的基础上，选取了四个直接影响叶片形状及位置的参数作为优化参数，以叶轮效率最高为优化目标，实现了混流泵叶轮的单目标、多参数优化。试验结果表明，该平台优化所得混流泵的最高效率为87.2%，高效运行范围宽广，空化性能良好，且运行稳定。.这些成果对丰富叶片式流体机械的理论，推动我国混流泵的研究、设计水平上一个新的台阶具有重要的意义，同时也有力的增强了我国在该领域的国际竞争能力。