江蘇大學博士學位論文：離心泵能量性能預測的研究

作者：談明高

摘 要：泵性能預測就是根據(jù)葉輪、蝸殼、導葉等過流部件的幾何參數(shù)、內部流動特征和制造精度等因素預測泵的性能。它具有提高產品設計質量、縮短產品研發(fā)周期和降低開發(fā)成本等優(yōu)點，一直是泵領域十分重要的研究課題。但至今，泵性能預測的結果仍不夠，還不能滿足工程實際的需要。因此離心泵性能預測的研究有重要的學術價值和社會經(jīng)濟效益。

本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
1. 較系統(tǒng)地總結了目前國內外各類泵尤其是離心泵性能預測研究現(xiàn)狀并對其發(fā)展趨勢作了展望，分析了流場計算法、水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等幾種主要的性能預測方法的缺點。

2. 對流場計算法中三維造型、網(wǎng)格劃分、邊界條件、湍流模型以及求解算法等做了比較詳細的數(shù)值比較，并給出了相應的使用建議，主要包括葉輪與蝸殼間的間隙處理方式、模型網(wǎng)格數(shù)、自由出流與壓力出口、SIMPLE 算法與SIMPLEC 算法、標準k-ε 模型和RNG k-ε 模型以及粗糙度常數(shù)等。

3. 應用流場計算法對離心泵的設計點及非設計點能量性能進行了預測并與實驗結果進行了對比和分析，詳細研究了流量變化對離心泵內部流場的影響；系統(tǒng)地研究了粗糙度對離心泵性能預測結果的影響，研究表明：（1）流場計算法在預測離心泵設計點及非設計點的性能時都具有比較高的預測精度；（2）考慮粗糙度后，性能預測精度有所提高，粗糙度對低比轉數(shù)泵的能量性能影響大，而對中高比轉數(shù)泵能量性能影響較小；（3）流量變化對泵內流場影響明顯，偏離設計工況點時在各葉片進口背面出現(xiàn)了明顯的低壓區(qū)；大流量點時由于蝸殼喉部的限流作用，蝸殼擴散段靜壓出現(xiàn)了明顯地下降；流量偏離設計工況點時，葉片進口速度方向發(fā)生了明顯的改變，致使水流對葉片具有較大的沖擊作用且大流量點和小流量點的液流沖擊方向相反，大流量點為負沖角，小流量點為正沖角。

4. 采用CFD 方法研究了葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)變化對離心泵設計點性能、內部流場以及性能曲線形狀的影響并用實驗進行了驗證。研究表明：（1）設計工況下，出口角變化對高比轉數(shù)離心泵的性能影響較大；葉片出口寬度的變化對中等比轉數(shù)離心泵的性能影響較為明顯；葉片數(shù)的變化對高比轉數(shù)和低比轉數(shù)離心泵性能影響顯著；（2）葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)的變化對離心泵葉輪內的“射流-尾跡”現(xiàn)象都有明顯的影響，“尾跡”區(qū)的面積隨著出口角的增大、出口寬度的增加以及葉片數(shù)的減少而擴大；葉片出口寬度以及葉片數(shù)的變化對葉片進口背面的低壓區(qū)的面積大小也有較大的影響，隨著出口寬度的減小及葉片江蘇大學博士學位論文：離心泵能量性能預測的研究II數(shù)的增加這一面積不斷增大；葉片出口寬度還對蝸殼斷面內的二次流有較大的影響，葉片出口寬度的增大有利于消除蝸殼斷面內二次流的漩渦，但過大的葉片出口寬度會造成回流；（3）葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)變化對離心泵的揚程曲線和效率曲線的形狀有較明顯的影響，但尚難發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律，尤其是葉片數(shù)的影響zui為復雜。

5. 分別應用RANS 非定常模擬和大渦模擬對不同比轉數(shù)的3 臺離心泵進行了非定常的性能預測并分析了不同時刻流場變化。研究表明：（1）不論是RANS 非定常模擬還是大渦模擬的非定常預測值都要高于定常模擬預測值，其中RANS 非穩(wěn)態(tài)預測值zui大；（2）當葉片正對蝸殼隔舌時，此時泵內靜壓梯度zui大，在蝸殼隔舌附近及蝸殼出口的靜壓降到了zui小值，而這時在該葉片出口的工作面靜壓卻達到了zui大值。當葉片遠離蝸殼隔舌時，泵內壓力波動減小，靜壓場分布差異也有所減小。

6. 根據(jù)大量水力模型的計算結果和實驗結果，比較分析了斯托道拉、威斯奈、普夫萊德爾、斯基克欽等滑移系數(shù)公式，研究表明對于離心泵而言威斯奈公式（ns<65）和斯基克欽公式（ns>65）的計算結果比較準確，并通過對這兩個公式的修正進而達到修正理論揚程的目的，同時用回歸分析分類給出了其修正系數(shù)的數(shù)學表達式。

7. 分析了水力損失的計算公式，在深入研究各種水力損失類型的基礎上，對各水力損失的表達式進行了修正，并結合實例用回歸分析方法給出了其修正系數(shù)的數(shù)學表達式。研究比較了各種圓盤摩擦損失的計算公式，認為應根據(jù)比轉數(shù)的范圍來選用圓盤摩擦損失的計算公式。根據(jù)大量實例修正了圓盤摩擦損失計算公式，并給出了其修正系數(shù)的數(shù)學表達式。

8. 基于水力損失法在Windows 平臺上和AutoCAD 環(huán)境下，用VC++6.0 和ObjectARX 2000 作為開發(fā)語言，開發(fā)成功了工程實用的離心泵性能預測軟件。

9. 同時采用改進算法的BP 網(wǎng)絡和RBF 網(wǎng)絡預測了離心泵的能量性能。研究表明BP 網(wǎng)絡和RBF 網(wǎng)絡都有比較高的預測精度且BP 網(wǎng)絡的預測精度略高于RBF網(wǎng)絡，但BP 網(wǎng)絡比較費時，所需時間約為RBF 網(wǎng)絡的2 倍。

10. 比較了流場計算法、水力損失法及神經(jīng)網(wǎng)絡法的預測精度，比較結果表明流場計算法的預測精度zui高、水力損失法次之，同時還發(fā)現(xiàn)水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡法在進行性能預測時有一定的不穩(wěn)定性。

關鍵詞：離心泵，性能預測，流場計算，水力損失，神經(jīng)網(wǎng)絡