高效太陽能離心泵水力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究

近年來，隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源資源量的不斷減少，太陽能水泵的設(shè)計(jì)研究已成為當(dāng)前水力機(jī)械領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本項(xiàng)目力圖建立具有超寬高效運(yùn)行區(qū)域，較小的關(guān)死點(diǎn)功率和高可靠性的太陽能離心泵的水力設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目主要研究內(nèi)容和研究成果如下。 （1）試驗(yàn)研究了葉片出口寬度、葉片出口角、葉片數(shù)、葉片包角和葉片進(jìn)口沖角對太陽能離心泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程和關(guān)死點(diǎn)功率的影響，研究表明各參數(shù)對離心泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程和功率的影響規(guī)律都較為復(fù)雜，這與各參數(shù)對關(guān)死工況下離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的影響有著極為密切的關(guān)系。 （2）根據(jù)大量的實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)，分析了常用的7種離心泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程計(jì)算方法的計(jì)算精度。以比轉(zhuǎn)數(shù)作為自變量，應(yīng)用一元非線性回歸分析的方法給出了各關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程的計(jì)算方法的修正系數(shù)，較大地提高了太陽能離心泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程的計(jì)算精度。實(shí)例計(jì)算表明修正后的離心泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程的計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果偏差都在5%以內(nèi)。 （3）應(yīng)用誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation，BP）建立了太陽能離心泵關(guān)死點(diǎn)功率的預(yù)測模型。網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用表明網(wǎng)絡(luò)的平均預(yù)測偏差為4%，能夠滿足工程應(yīng)用的要求，可為現(xiàn)代水泵設(shè)計(jì)中關(guān)死點(diǎn)功率的計(jì)算提供了理論參考。 （4）基于泵內(nèi)各項(xiàng)損失計(jì)算建立了太陽能離心泵全流量范圍內(nèi)的性能預(yù)測模型?；谠撔阅茴A(yù)測模型，以傳統(tǒng)的單工況水力設(shè)計(jì)結(jié)果作為初始條件、多個(gè)工況下的揚(yáng)程值為約束條件、多個(gè)工況點(diǎn)的加權(quán)平均功率值（或加權(quán)效率值最高）最小為目標(biāo)，應(yīng)用全局優(yōu)化算法進(jìn)行求解，從而建立了太陽能離心泵多工況水力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。采用Isight集成Pro/E、Gambit和Fluent，實(shí)現(xiàn)了太陽能離心泵葉輪軸面圖多工況全自動(dòng)CFD優(yōu)化。 （5）基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律將一天光照標(biāo)準(zhǔn)化，建立了長期光照分布的概率密度模型，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定建立了峰值光照與全天出水量的關(guān)系，根據(jù)概率密度模型利用Matlab生成隨機(jī)峰值光照序列，分別研究了儲(chǔ)水箱體積、日需水量、概率密度函數(shù)參數(shù)對系統(tǒng)供水可靠性的影響，并給出合理取值范圍和配置建議。 本項(xiàng)目共出版專著1部；發(fā)表論文24篇，其中SCI檢索5篇、EI檢索13篇；申請發(fā)明專利2項(xiàng)，其中授權(quán)1項(xiàng)；申請軟件著作權(quán)登記3項(xiàng)；獲省部級二等獎(jiǎng)3項(xiàng)；培養(yǎng)碩士研究生2名、博士研究生1名。 2100433B

高效太陽能泵已成為泵節(jié)能研究的熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目擬對太陽能離心泵水力設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)問題展開研究，以解決太陽能離心泵運(yùn)行效率低和全壽命成本高的問題。.針對太陽能離心泵運(yùn)行工況不斷變化的特點(diǎn)，采用改進(jìn)的分離渦模擬方法、PIV測試和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，以及葉輪與壓水室的主要幾何參數(shù)對泵內(nèi)外特性的影響；通過對不同設(shè)計(jì)方案的太陽能離心泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立關(guān)死點(diǎn)性能預(yù)測模型，特別是關(guān)死點(diǎn)功率的計(jì)算與控制方法；在上述研究基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析，提出具有超寬高效運(yùn)行范圍的太陽能離心泵的水力設(shè)計(jì)方法?；趦?nèi)流數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)用強(qiáng)流固耦合方法研究提高太陽能離心泵可靠性的設(shè)計(jì)理論與方法。.本項(xiàng)目旨在建立具有較小關(guān)死點(diǎn)功率，超寬高效運(yùn)行區(qū)域和高可靠性的太陽能離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法。研究成果對促進(jìn)我國節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，同時(shí)也為其他類型泵的高效設(shè)計(jì)提供借鑒。

《離心泵動(dòng)靜干涉作用機(jī)理及低噪聲水力設(shè)計(jì)》采用機(jī)理分析、試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對離心泵動(dòng)靜干涉作用機(jī)理及流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的特性進(jìn)行研究，旨在建立若干高效率低噪聲離心泵水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。系統(tǒng)總結(jié)分析了離心泵噪聲的分類和產(chǎn)生原因，提出現(xiàn)有的離心泵噪聲測量和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足其噪聲評估的需要，離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲是離心泵機(jī)組噪聲測量和評估的關(guān)鍵。

《離心泵動(dòng)靜干涉作用機(jī)理及低噪聲水力設(shè)計(jì)》可供從事流體機(jī)械設(shè)計(jì)和節(jié)能降噪研究工作的工程技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

多工況水力設(shè)計(jì)已成為離心泵研究的熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目擬對離心泵多工況水力設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究，以提高其多個(gè)工況的運(yùn)行效率。.本項(xiàng)目擬采用三維PIV技術(shù)研究離心泵全工況下的內(nèi)部流動(dòng)特征，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出三維PIV粒子圖像去噪方法，并結(jié)合互相關(guān)算法和快速傅里葉變換算法研究粒子圖像的精確處理算法。在分析葉輪出口處滑移速度和液流角偏移量的基礎(chǔ)上，探索離心泵全工況滑移系數(shù)計(jì)算模型?；诒脙?nèi)能量損失的全工況測量建立離心泵多工況性能計(jì)算模型。結(jié)合EIMS和GASA算法發(fā)展求解離心泵多工況性能計(jì)算模型的GASA-EIMS算法，研究環(huán)境識別因子對求解精度和收斂速度的影響?；谏鲜鲅芯?，提出一種離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。.本項(xiàng)目旨在建立具有環(huán)境識別記憶的離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法。研究成果對促進(jìn)我國節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，同時(shí)也為其它葉片式流體機(jī)械的多工況水力設(shè)計(jì)提供借鑒。

受運(yùn)行條件的限制，離心泵常在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，特別是核電用泵及艦船用泵常在多個(gè)工況下運(yùn)行。目前，多工況水力設(shè)計(jì)已成為離心泵研究的熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目對離心泵多工況水力設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵科學(xué)問題展開了研究，以提高其多個(gè)工況的運(yùn)行效率。本項(xiàng)目的研究成果主要有： （1）提出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PIV粒子圖像去噪方法，結(jié)果表明，該方法在PIV粒子圖像去噪方面優(yōu)于小波變換，具有較大的SNR值和PSNR值。 （2）以圖像變形程度為PIV相機(jī)調(diào)整的評判標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了圖像校正程序來調(diào)整相機(jī)的位置。結(jié)果表明：圖像校正方法將相機(jī)調(diào)整的靈敏度從1°提高到0.286°，將圖像變形導(dǎo)致的垂直方向位移從7.73個(gè)像素降低到1.26個(gè)像素。 （3）對PIV粒子圖像進(jìn)行圖像掩模操作，結(jié)果表明：與常規(guī)的方法相比，圖像掩模操作可以有效減少流場邊界附近出現(xiàn)的互相關(guān)計(jì)算錯(cuò)誤的查問區(qū)數(shù)目，提高查問區(qū)計(jì)算精度。 （4）采用葉輪圓周上不同參考點(diǎn)在不同時(shí)刻圖像中的位置定位葉輪旋轉(zhuǎn)中心。研究表明：圖像定位方法可以有效的預(yù)估定位誤差；圖像定位過程得到的定位精度較高，對相對速度重構(gòu)影響較小。 （5）采用斯托道拉公式、威斯奈爾公式、斯基克欽公式計(jì)算了雙葉片離心泵的滑移系數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)值對計(jì)算誤差最小的威斯奈公式進(jìn)行了修正，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：修正后的滑移系數(shù)計(jì)算誤差均在3.5%以內(nèi)，最大誤差為3.23%。 （6）基于泵內(nèi)各項(xiàng)損失建立了離心泵多工況性能計(jì)算模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明揚(yáng)程和效率計(jì)算誤差均在5%以內(nèi)。同時(shí)提出了一種損失系數(shù)修正方法，并對一離心泵的各損失系數(shù)進(jìn)行了修正，研究表明誤差小于4%。 （7）采用環(huán)境識別記憶方法和均勻變異算子對GASA算法進(jìn)行了改進(jìn)，研究表明：與GASA算法相比，GASA-EIMS算法收斂速度快且精度較高。 （8）雙葉片離心泵的多工況水力優(yōu)化結(jié)果表明：0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd三個(gè)工況的加權(quán)平均效率比優(yōu)化前增加了1.46個(gè)百分點(diǎn)。PIV實(shí)驗(yàn)研究表明：小流量工況下，優(yōu)化后的失速區(qū)和漩渦區(qū)明顯小于優(yōu)化前；1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd工況下，優(yōu)化后的葉輪內(nèi)部流態(tài)較好，而優(yōu)化前葉輪內(nèi)則存在漩渦和回流。 本項(xiàng)目發(fā)表論文13篇，其中SCI和EI檢索各4篇；申請發(fā)明專利8項(xiàng)，其中授權(quán)4項(xiàng)；登記軟件著作權(quán)1項(xiàng)；獲省部級二等獎(jiǎng)和中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)各1項(xiàng)；培養(yǎng)碩士研究生3名。