多级井用潜水泵的优化设计

后倾式叶轮论文 空间导叶论文 效率论文 优化设计论文
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井用潜水泵是提取地下水的重要设备,在农村、工厂、矿山、自来水公司、地热开发和油田等地或领域都有广泛的应用。针对潜水泵中最重要的两个过流部件—叶轮和导叶进行优化设计对潜水泵的节能降耗有重要意义。本文针对采用后倾式叶轮和空间导叶的潜水泵模型,以效率为目标函数,引进诸如遗传算法、人工神经网络等先进的优化设计算法进行优化设计,在以叶轮和导叶的进出口角作为控制参数并在原模型基础上增加±20°作为优化范围的前提下提出最优叶轮模型,并对优化前后的潜水泵进行数值模拟和性能预测。主要内容如下:(1)介绍了本文中进行数值计算和优化设计所采取的方法,利用Pro/E三维造型软件对过流部件:后倾式叶轮和空间导叶进行了建模。利用NUMECA软件中的AutoGrid5模块,采用全六面体结构化网格进行了网格划分,采用雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对原模型泵的外特性进行了预测;(2)对采用后倾斜式叶轮和空间导叶的井用潜水泵在转速为2850r/min进行了实验研究,得到了原型井用潜水泵的流量扬程Q-H曲线以及流量效率Q-η曲线,并和数值模拟结果进行了对比分析。(3)对后倾式叶轮和空间导叶进行了参数化造型,以后倾式叶轮进口角β1、出口角β2和空间导叶进口角β3、出口角β4四个参数为优化变量,采用基于近似函数技术的优化策略,以效率为优化目标进行了优化设计研究;(4)对优化前后潜水泵的内部流动特性及外特性进行了对比分析,验证了优化后潜水泵的水力效率及单级扬程均得到了提高,提高了潜水泵在大流量工作区域的性能,增强了潜水泵的运行稳定性。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第一章 绪论第11-19页
    1.1 课题研究目的与意义第11页
    1.2 我国井用潜水泵的发展历史第11-14页
    1.3 潜水泵的水力模型的研究现状第14-15页
    1.4 潜水泵优化设计的发展现状第15-17页
        1.4.1 CAD 设计时期第16页
        1.4.2 数学建模时期第16页
        1.4.3 CFD 技术时期第16-17页
    1.5 本课题的研究内容第17-19页
第二章 井用潜水泵外特性的数值模拟预测第19-31页
    2.1 数值模拟级数选择第19页
    2.2 控制方程组第19-20页
    2.3 湍流模型第20-22页
    2.4 井用潜水泵几何模型与网格生成第22-27页
        2.4.1 井用潜水泵的几何模型第22-23页
        2.4.2 网格生成第23-27页
    2.5 边界设置第27-28页
    2.6 潜水泵外特性的数值模拟结果第28-29页
    2.7 本章小结第29-31页
第三章 井用潜水泵的试验研究第31-37页
    3.1 试验内容与测量原理第31-32页
        3.1.1 试验内容第31页
        3.1.2 测量原理第31-32页
    3.2 试验系统第32-34页
        3.2.1 试验装置第32-33页
        3.2.2 流量测量与调节第33-34页
        3.2.3 轴功率测量第34页
    3.3 潜水泵实体第34-35页
    3.4 试验结果第35-36页
    3.5 本章小结第36-37页
第四章 井用潜水泵模型的参数化拟合第37-48页
    4.1 几何模型的三维造型第37-38页
    4.2 几何模型拟合方法第38-41页
        4.2.1 Bezier 曲线第39-40页
        4.2.2 B 样条曲线第40-41页
    4.3 子午线拟合第41-42页
    4.4 流面定义第42页
    4.5 流面积叠规律第42-43页
    4.6 二维叶片型线定义第43-45页
        4.6.1 中弧线定义方法第43-44页
        4.6.2 叶片厚度分布定义第44-45页
        4.6.3 叶片前缘与尾缘第45页
    4.7 后倾式叶轮和空间导叶的拟合第45-46页
    4.8 本章小结第46-48页
第五章 井用潜水泵叶轮和导叶的优化第48-66页
    5.1 潜水泵优化设计的出发点第48-49页
    5.2 潜水泵优化设计中的三要素第49-50页
        5.2.1 设计变量第49页
        5.2.2 设计约束第49-50页
        5.2.3 目标函数第50页
    5.3 井用潜水泵优化参数选择与设置第50-52页
        5.3.1 优化参数的选择第50-51页
        5.3.2 参数的变化范围和关联第51-52页
    5.4 井用潜水泵的优化策略第52-55页
        5.4.1 多级泵的优化步骤第52页
        5.4.2 优化策略第52-54页
        5.4.3 优化收敛判定第54-55页
    5.5 优化结果第55-59页
    5.6 流场分析第59-65页
        5.6.1 相对速度分析第59-63页
        5.6.2 静压力分析第63-65页
    5.7 本章小结第65-66页
第六章 总结与展望第66-68页
    6.1 全文总结第66-67页
    6.2 工作展望第67-68页
参考文献第68-72页
致谢第72-73页
攻读硕士学位期间发表论文第73页
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