基于CAD和CFD技术的高效叶片泵流场仿真与优化分析.pdf

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1、第3O卷第2期徐州工程学院学报(自然科学版)2015年6月V01．3ONo．2JournalofXuzhouInstituteofTechnology(NaturalSciencesEdition)Jun．2015基于CAD和CFD技术的高效叶片泵流场仿真与优化分析曹建国，于亮，杨光辉(1．北京科技大学机械工程学院，北京1000832．JacobsSchoolofEngineering，UniversityofCalifornia—SanDiego，LaJolla，CA92093，USA)摘要：为了提高高效节能叶片泵的设计效率和降低实际工况

2、的不确定性产生的“无效能耗”，基于CAD和CFD技术，对高效叶片泵流场进行仿真与优化分析．以SS300—560型离心泵为对象，采用Pro／E和Fluent软件分别建立了高效叶片泵三维造型和CFD模型，结合实际条件仿真分析了叶轮内部流动的压力场和速度场，明确了具体叶型产生的局部湍流及汽蚀现象；建立了以离心泵效率最大、汽蚀余量最小为目标，以无驼峰曲线和无过载为约束的多目标函数优化模型，采用遗传算法对叶轮设计参数进行求解，提高了泵体效率并降低了汽蚀余量．关键词：离心式叶片泵；数学建模；流场；CFD中图分类号：TH311；TP391．9文献标志码：

3、A文章编号：1674—358X(2015)02～0001—06液压传动具有无级调速的特点，调速范围大且可在系统运行过程中调速和实现低速大吨位运动，并且有传动装置体积小、质量轻、结构紧凑、操作简单、调整控制方便、安全可靠等优点，而叶片泵是液压传动系统的心脏，广泛应用于机械、汽车、电力、军事和航空等领域，其中离心泵的使用占泵总量的9O[1-23．目前，离心叶片泵向集成化、高效率、低噪、无外泄漏方向发展．降低能耗及提高效率是提高行业竞争力的有力措施之一．要提高液压电机叶片泵的效率，通常从提高特制电机效率、传动部分转化效率和叶片泵的效率人手，以达到

4、节能减排的效果_3]．随着现代化进程的加快和计算流体力学的发展，人们对离心泵的性能要求越来越高．采用计算机辅助设计和数值模拟方法等先进的设计分析工具，可提高设计效率与质量并减少研发成本和研发周期]．为了根据实际条件设计高效低损、运行稳定的叶片泵，本文基于CAD与CFD数值模拟技术，对高效叶片泵流场进行了仿真与优化分析．1高效叶片泵流场仿真建模1．1三维造型以某特种泵厂SS300～560型离心泵为对象，用Pro／E软件对离心泵叶轮采用点、线、面的方式建模．创建基准轴，用点工具绘制叶片外形，通过拉伸叶片得到叶片实体，创建后盖板时先绘制外形轮廓，

5、然后旋转变换得到．创建中间孑L，并将叶片阵列变换，在操控面板“选项”按钮下选“再生选项”，在下拉列表中选“相同”选项．在使用该选项时需要满足以下假设：1)阵列一定要放置在一个平面上；2)阵列一定不能和边线相交；3)陈列的实体不能相交．对比“可变”“一般”两个选项，“相同”选项要求较多，“一般“选项并不要求任何假设，但是需要再生时间较长．最后旋转切除叶片边得到最终实体如图1所示．对于建好的曲面进行曲率检验．曲率是否连续会对内部流场的状态产生影响，曲率连续则内部流场较为均匀．对该叶型的叶轮进行内部流场的仿真分析，需要构建叶轮的内部流道图，以便于

6、在Fluent软件中进行边界条件的设定．1．2CFD模型以Gambit2．4软件进行建模，采用非结构网格，同时为了便于网格的划分，对叶型畸变度较大的地方进行了适当的修改．叶轮内部的流道由6个叶片组成，对其1／6内部流道模型进行研究．网格划分如图2所示，收稿日期：2014—12-18基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120006110015)作者简介：曹建国(1971一)，男，湖南衡山人，教授，博士，博士生导师，主要从事机械装备与控制工程研究·1·徐州工程学院学报(自然科学版)2015年第2期避免产生驼峰曲线约束函数为’。<9

7、0，(6)离心泵无过载约束条件为一4[。仉“2ri—D—2b—2—2)]，≤m，(7)式中：P为泵的最大轴功率；P为泵的工作轴功率；为泵体的最大轴功率与设计功率的比值，一般取1．1～1．2．叶轮的出口面积与蜗壳颈部即出口与泵体过渡连接处的面积之比y的计算方法为Y一82一，(8)式中：S。为出口叶轮面积，S为蜗壳颈部面积．其中l

8、。，(9)。式中：为分目标的权重系数，厂为各分目标函数在单目标时可以取到的最优解或最理想值．表1为泵体设计参数．表1离心泵设计参数每个参数的约束条件根据大量的泵体优秀模型得到3．