雙向軸流泵的優(yōu)化設(shè)計及內(nèi)流特性研究.pdf

1、葉輪機械內(nèi)部三維流場的非定常流動機理及控制是學(xué)科研究熱點問題之一，雙向軸流泵作為兼顧排澇和灌溉的低揚程泵站的主要“心臟”部件，多為采用傳統(tǒng)二元方法設(shè)計的S型葉片，存在正、反向運行條件不同時能效較低的缺陷，反向時由于導(dǎo)葉起正預(yù)旋作用，且無后置導(dǎo)葉整流，其內(nèi)流結(jié)構(gòu)中的逆壓梯度變化、附面層分離、大尺度回流等特殊復(fù)雜流動制約了綜合性能的提升，論文采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，圍繞非對稱翼型雙向軸流泵的優(yōu)化設(shè)計、內(nèi)流機理及主/被動流動

2、控制技術(shù)、壓力脈動特性等方面內(nèi)容開展研究，取得如下成果：
　　（1）基于保角變換法提出了一種低拱度圓弧翼型雙向葉片設(shè)計方法，通過儒可夫斯基變換建立低拱度圓弧翼型正反向速度環(huán)量、理論揚程的關(guān)系，通過改變?nèi)~柵幾何參數(shù)分配正反向性能，同時基于升力法設(shè)計常規(guī)S翼型雙向軸流泵開展對比研究，系統(tǒng)對比了兩種翼型葉片雙向軸流泵的時均流場和壓力脈動特性，通過在葉片、導(dǎo)葉表面網(wǎng)格上創(chuàng)建微小網(wǎng)格單元并監(jiān)測其平均壓力研究了 S翼型雙向軸流泵正反向運行時葉

3、片、導(dǎo)葉表面的壓力脈動變化規(guī)律，對比了正反向馬鞍區(qū)流動特性及葉頂間隙流動特性，開展兩個模型正反向不同安放角下的實驗研究。結(jié)果顯示，圓弧翼型葉片吸力面尾緣附近流體質(zhì)點的徑向運動較小，進出口邊脈動幅值更低，正反向效率較S翼型模型分別高3.5％和1.3%；葉片表面壓力脈動主要受導(dǎo)葉葉片數(shù)影響，主頻為導(dǎo)葉通過頻率，導(dǎo)葉表面壓力脈動的主頻為葉片轉(zhuǎn)動頻率；小流量下，正向時在1~2、4~5倍轉(zhuǎn)頻，反向時在0~2倍轉(zhuǎn)頻出現(xiàn)了較強的低頻脈動。
　　

4、（2）開展雙向軸流泵導(dǎo)葉改型設(shè)計研究，建立了彎導(dǎo)葉雙向軸流泵反向運行內(nèi)流場流動模型，引入直導(dǎo)葉以降低反向時葉片吸力面大沖角入流，基于Q等值面法研究了直導(dǎo)葉內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)及其非定常演變規(guī)律，通過改變翼型降低流動分離強度；分析了導(dǎo)葉—彎管相對位置變化對流場結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，直導(dǎo)葉可消除反向時葉片前的正預(yù)旋，后置直導(dǎo)葉內(nèi)主要流動損失由吸力面附面層分離及脫落渦引起，合理選擇翼型可以降低流動分離強度；彎管會破壞上游流場的軸對稱分布，改

5、變導(dǎo)葉各葉片的沖角。
　　（3）構(gòu)建了同時包含葉片、流道幾何參數(shù)的軸流泵（風(fēng)機）參數(shù)化優(yōu)化平臺，改進現(xiàn)有軸流葉片優(yōu)化方法，提出一種包含實驗設(shè)計和速度梯度算法的軸流式葉片組合優(yōu)化方法，基于最優(yōu)拉丁超立方方法及序列二次規(guī)劃算法分別對葉片、流道進行優(yōu)化，通過增大空間步長加速收斂。較常規(guī)直接采用實驗設(shè)計或序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化正向效率分別提高了3.07%和0.87%，采用擴散管減小了流道徑向壓差和流體周向旋轉(zhuǎn)速度，對葉片和流道優(yōu)化后正向效率