[发明专利]基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法

摘要

本发明公开了一种基于流固耦合计算的离心泵水力及结构设计方法，包括以下步骤：根据离心泵设计工况的性能参数，对叶轮几何参数进行初始计算；采用正交试验设计和拉丁超立方试验设计方法对叶轮进行多方案设计，并对叶轮水体计算域进行快速造型、对叶轮结构域进行三维造型、对离心泵叶轮进行流固耦合计算求解，得到离心泵水力性能和结构应力分布。建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与最主要几何参数建立二次响应面模型，并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。本发明提高了离心泵叶轮设计的准确性，同时也适用于混流泵和轴流泵叶轮的设计中，为旋转机械的高效可靠设计提供技术支持。

主权项

基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法，包括以下步骤：步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数进行初始计算；步骤二：对离心泵叶轮的水力几何参数和结构几何参数采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案采用流固耦合计算得到泵扬程、效率和叶轮最大应力值，分析水力几何参数和结构几何参数对水力性能和结构性能影响程度，得到影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数；步骤三，根据步骤二得到的影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数，采用拉丁超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固耦合计算各个方案的泵扬程、效率和叶轮最大应力值；步骤四：建立计算得到的泵效率η、叶轮最大应力值σ与影响离心泵叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬程不小于设计扬程：$\mathrm{\η}=-(a_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\Σ}}{a}_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{6}{\Σ}}{a}_{ii}{x_i}^2+\underset{i\<j}{\overset{6}{\Σ}}{a}_{ij}{x}_i{x}_j);$$\mathrm{\σ}=(b_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\Σ}}{b}_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{6}{\Σ}}{b}_{ii}{x_i}^2+\underset{i\<j}{\overset{6}{\Σ}}{b}_{ij}{x}_i{x}_j);$式中a₀，a_ii和a_ij均匀系数，由最小二乘法求得，x_i和x_j为步骤二中较主要的叶轮几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数；并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶轮几何参数组合。步骤五：根据最优叶轮几何参数进行三维造型，并进行流固耦合计算，看能否达到设计要求，若达到设计要求，可进行试验验证，若没有达到，重复步骤二至步骤四。