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第 31 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.21 2015 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2015 125 基于 CFD 的离心泵优化设计与试验 赵伟国 1,2，盛建萍 1，杨军虎 1,2，宋启策 1 （1. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；2. 甘肃省流体机械及系统重点实验室，兰州 730050） 摘 要：为了提高离心泵的效率，以叶轮效率最大为优化目标进行优化设计。对叶轮进行参数化设计，以实现叶轮几何 形状的自动控制以及为优化计算提供优化变量。选择控制叶片积叠线周向定位的 2 个参数作为优化变量，以−3°～3°作为 优化变量的约束范围。利用人工神经网络的学习功能，建立了目标函数与优化变量之间的映射关系。采用遗传算法寻找 目标函数的最优值，得到优化变量约束范围内的最优叶轮模型。数值计算结果表明：在设计流量点 1 200 m3/h 时，优化 后叶轮的效率较优化前提高了 4.02 个百分点，离心泵的效率提高了 4.41 个百分点，扬程提升了 2.63 m。针对非设计工况 点性能改善不明显这一问题，对原始蜗壳进行重新设计并与优化叶轮组合进行数值计算。在设计工况点效率提高了 1.59%， 在 1.2 倍设计工况点处效率提升了 9.93%，在 1.4 倍设计工况点处效率提升了 8.83%；较原始叶轮与原始蜗壳的组合，在 设计工况点泵的效率提高了 6%，在 1.2 倍设计工况点点效率提高了 9.2%，在 1.4 倍设计工况点点效率提高了 8.59%。优 化拓宽了水泵运行的高效区，增强了泵的运行稳定性，离心泵的性能得到了优化，叶轮与蜗壳之间的匹配更合理。该研 究对离心泵的优化设计提供了参考。 关键词：离心泵；优化；算法；叶轮；效率；参数化；神经网络 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.016 中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-21-0125-07 赵伟国，盛建萍，杨军虎，宋启策. 基于 CFD 的离心泵优化设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(21)：125－131. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.016 Zhao Weiguo, Sheng Jianping, Yang Junhu, Song Qice. Optimization design and experiment of centrifugal pump based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 125－131. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.016 0 引 言 叶轮作为离心泵内能量转换的核心部件，其性能的 好坏直接影响着离心泵整机的性能[1-2]。目前，在工程 实际应用中，离心泵叶轮的设计依旧采用半理论半经验 的设计方法，所设计叶轮性能的好坏直接依赖于设计者 的经验[3-4]，设计出的模型性能通常不是最优的。因此， 在水力设计的基础上，对叶轮进行优化设计非常必要。 近几年，随着 CFD 技术与优化算法的不断发展，许 多研究将流场分析与优化算法结合来改善叶轮的性能， 即以效率、总压等总体性能参数为优化目标函数，通过 不断调整叶片几何参数得到最佳性能的叶型[5-10]。目前， 很多学者对离心泵的优化设计进行了研究，结果显示： 一些优化方法可以有效地改善离心泵内的流动状况，减 小边界层内的流动损失。张德胜等[11]应用数值模拟与试 验研究相结合的方法研究了高扬程排污泵叶轮蜗壳之间 的匹配关系，为“高效率、无过载、无堵塞”的高扬程 收稿日期：2015-05-04 修订日期：2015-09-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目