[01129025]基于流固耦合的低比速离心泵水力优化及系列产品开发

泵作为重要的能量转换装置和流体输送能量提供者,是仅次于电机应用最广泛的通用机械,其耗电量约占全国总发电量的20%,在石油和化工工业中更高达59%和26%。离心泵是应用最广和最多的泵,约占70%,而其中大部分是低比转数离心泵。因低比转数离心泵流量小、扬程高,广泛应用于农业排灌、城市供水、锅炉给水、矿山、消防、石油、化工等领域,但低比转数离心泵长期存在三个难题,一是效率低,能耗大;二是轴功率曲线较陡,易发生原动机过载;三是扬程曲线易产生驼峰,使得泵机组运行不平稳。 分流叶片偏置设计法,是为了解决上述问题而提出的新的设计方法：旨在通过改善叶轮内部流动规律的角度提高泵的性能,是目前提高离心泵综合性能的最有效的方法之一。近年来,本项目在理论上对带分流叶片离心泵内部流动特性和性能优化进行深入的探索,揭示分流叶片的添置对改善“射流—尾流”结构以及提高离心泵性能的机理,建立了分流叶片流固耦合理论,提高了带分流叶片离心泵的可靠性,在此基础上,建立了带分流叶片的低比转数离心泵的无过载设计方法,对提升工业用低比转数离心泵综合性能具有重要意义。 （1）获得了分流叶片对离心泵外特性及内部流场的影响,完善了分流叶片设计方法。基于CFD仿真和试验测试技术,对带分流叶片离心泵各工况非定常流动结构进行了仿真和试验验证,初步揭示了小流量工况（驼峰易发区域）、设计点和最大流量工况下非定常流动结构与运行稳定性之间的关系,通过改善水力部件内部流动分布规律来提高泵效率,并兼顾多个工况点的性能要求,探索多工况设计方法。 （2）建立了分流叶片的流固耦合理论,优化了带分流叶片离心泵的可靠性。利用ANSYS结构分析软件,进行了不同温度下离心泵结构和流场的流固耦合（FSI）研究,计算结果表明：添置分流叶片后,转子的等效应力、各阶频率和最大变形量均明显变小,且减轻了叶轮变形对流场内压力脉动及径向力的影响。 （3）建立了分流叶片离心泵效率和扬程预测模型,提出了分流叶片离心泵无过载设计方法。利用MATLAB神经网络工具箱,建立了低比转数离心泵效率及扬程预测的BP神经网络模型,对泵性能进行预测。经采用该神经网络离心泵效率及扬程预测模型对已获得实验数据的离心泵仿真测试,得出效率预测的平均相对偏差为5.97%,扬程的平均相对偏差为4.78%,且预测值及实验值相关性很好。 （4）应用CFD技术和离心泵无过载理论进行了系列离心泵的开发。大幅提高了产品效率,且功率具有无过载特性,降低了部分产品的配套功率各项技术指标均符合要求;其各项技术指标均符合设计要求,电泵效率比企业同款TS泵提高了5%～26.9%,主要性能均有较大幅度的改善和提高;双频（50/60Hz）离心泵产品通用率大幅提高,产品节能、节材效果明显。 （5）技术辐射了泵行业,促进了泵行业技术进步,产生了显著的经济社会效益。制订、修订了国家及行业标准共10项;申报国家专利16项,已获国家专利共6项;发表学术论文共32篇,其中SCI、EI收录27篇,培养硕士研究生9名,博士研究生2名。研究成果已被全国泵企业直接或间接应用,仅据南京蓝深集团股份有限公司等国内10家企业应用证明,近三年的新增产值达19.1亿元,利润2.3亿元,经济效益显著,为我国经济建设和社会发展做出了重要贡献。