高效太陽能離心泵水力設計的基礎研究項目摘要

高效太陽能泵已成為泵節(jié)能研究的熱點之一。本項目擬對太陽能離心泵水力設計方法的基礎問題展開研究，以解決太陽能離心泵運行效率低和全壽命成本高的問題。.針對太陽能離心泵運行工況不斷變化的特點，采用改進的分離渦模擬方法、PIV測試和壓力脈動試驗研究其內部流動規(guī)律，以及葉輪與壓水室的主要幾何參數對泵內外特性的影響；通過對不同設計方案的太陽能離心泵進行外特性試驗與數值計算，結合人工神經網絡，建立關死點性能預測模型，特別是關死點功率的計算與控制方法；在上述研究基礎上結合理論分析，提出具有超寬高效運行范圍的太陽能離心泵的水力設計方法。基于內流數值模擬結果，應用強流固耦合方法研究提高太陽能離心泵可靠性的設計理論與方法。.本項目旨在建立具有較小關死點功率，超寬高效運行區(qū)域和高可靠性的太陽能離心泵多工況水力設計方法。研究成果對促進我國節(jié)能減排目標的實現具有重要意義，同時也為其他類型泵的高效設計提供借鑒。

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，太陽能水泵的設計研究已成為當前水力機械領域研究的一個熱點。本項目力圖建立具有超寬高效運行區(qū)域，較小的關死點功率和高可靠性的太陽能離心泵的水力設計方法。項目主要研究內容和研究成果如下。 （1）試驗研究了葉片出口寬度、葉片出口角、葉片數、葉片包角和葉片進口沖角對太陽能離心泵關死點揚程和關死點功率的影響，研究表明各參數對離心泵關死點揚程和功率的影響規(guī)律都較為復雜，這與各參數對關死工況下離心泵內部流動規(guī)律的影響有著極為密切的關系。 （2）根據大量的實際計算數據，分析了常用的7種離心泵關死點揚程計算方法的計算精度。以比轉數作為自變量，應用一元非線性回歸分析的方法給出了各關死點揚程的計算方法的修正系數，較大地提高了太陽能離心泵關死點揚程的計算精度。實例計算表明修正后的離心泵關死點揚程的計算公式的計算結果偏差都在5%以內。 （3）應用誤差反向傳播神經網絡（Back Propagation，BP）建立了太陽能離心泵關死點功率的預測模型。網絡的實際應用表明網絡的平均預測偏差為4%，能夠滿足工程應用的要求，可為現代水泵設計中關死點功率的計算提供了理論參考。 （4）基于泵內各項損失計算建立了太陽能離心泵全流量范圍內的性能預測模型。基于該性能預測模型，以傳統(tǒng)的單工況水力設計結果作為初始條件、多個工況下的揚程值為約束條件、多個工況點的加權平均功率值（或加權效率值最高）最小為目標，應用全局優(yōu)化算法進行求解，從而建立了太陽能離心泵多工況水力性能優(yōu)化設計方法。采用Isight集成Pro/E、Gambit和Fluent，實現了太陽能離心泵葉輪軸面圖多工況全自動CFD優(yōu)化。 （5）基于統(tǒng)計規(guī)律將一天光照標準化，建立了長期光照分布的概率密度模型，通過實驗標定建立了峰值光照與全天出水量的關系，根據概率密度模型利用Matlab生成隨機峰值光照序列，分別研究了儲水箱體積、日需水量、概率密度函數參數對系統(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，其中授權1項；申請軟件著作權登記3項；獲省部級二等獎3項；培養(yǎng)碩士研究生2名、博士研究生1名。 2100433B

《離心泵動靜干涉作用機理及低噪聲水力設計》采用機理分析、試驗測試和數值模擬相結合的方法對離心泵動靜干涉作用機理及流動誘導噪聲的特性進行研究，旨在建立若干高效率低噪聲離心泵水力設計準則。系統(tǒng)總結分析了離心泵噪聲的分類和產生原因，提出現有的離心泵噪聲測量和評價標準已不能滿足其噪聲評估的需要，離心泵流動誘導噪聲是離心泵機組噪聲測量和評估的關鍵。

《離心泵動靜干涉作用機理及低噪聲水力設計》可供從事流體機械設計和節(jié)能降噪研究工作的工程技術人員及高等院校相關專業(yè)的師生參考。

多工況水力設計已成為離心泵研究的熱點之一。本項目擬對離心泵多工況水力設計中的關鍵科學問題展開研究，以提高其多個工況的運行效率。.本項目擬采用三維PIV技術研究離心泵全工況下的內部流動特征，采用小波神經網絡提出三維PIV粒子圖像去噪方法，并結合互相關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上，探索離心泵全工況滑移系數計算模型?；诒脙饶芰繐p失的全工況測量建立離心泵多工況性能計算模型。結合EIMS和GASA算法發(fā)展求解離心泵多工況性能計算模型的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?；谏鲜鲅芯浚岢鲆环N離心泵多工況水力設計方法，并通過試驗驗證。.本項目旨在建立具有環(huán)境識別記憶的離心泵多工況水力設計方法。研究成果對促進我國節(jié)能減排目標的實現具有重要意義，同時也為其它葉片式流體機械的多工況水力設計提供借鑒。

受運行條件的限制，離心泵常在非設計工況下運行，特別是核電用泵及艦船用泵常在多個工況下運行。目前，多工況水力設計已成為離心泵研究的熱點之一。本項目對離心泵多工況水力設計中的關鍵科學問題展開了研究，以提高其多個工況的運行效率。本項目的研究成果主要有： （1）提出了基于小波神經網絡的PIV粒子圖像去噪方法，結果表明，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相機調整的評判標準，開發(fā)了圖像校正程序來調整相機的位置。結果表明：圖像校正方法將相機調整的靈敏度從1°提高到0.286°，將圖像變形導致的垂直方向位移從7.73個像素降低到1.26個像素。 （3）對PIV粒子圖像進行圖像掩模操作，結果表明：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的互相關計算錯誤的查問區(qū)數目，提高查問區(qū)計算精度。 （4）采用葉輪圓周上不同參考點在不同時刻圖像中的位置定位葉輪旋轉中心。研究表明：圖像定位方法可以有效的預估定位誤差；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、斯基克欽公式計算了雙葉片離心泵的滑移系數，并根據實驗值對計算誤差最小的威斯奈公式進行了修正，同時進行了實驗驗證。結果表明：修正后的滑移系數計算誤差均在3.5%以內，最大誤差為3.23%。 （6）基于泵內各項損失建立了離心泵多工況性能計算模型，并進行了試驗驗證。結果表明揚程和效率計算誤差均在5%以內。同時提出了一種損失系數修正方法，并對一離心泵的各損失系數進行了修正，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算法進行了改進，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)化結果表明：0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd三個工況的加權平均效率比優(yōu)化前增加了1.46個百分點。PIV實驗研究表明：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)化后的葉輪內部流態(tài)較好，而優(yōu)化前葉輪內則存在漩渦和回流。 本項目發(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，其中授權4項；登記軟件著作權1項；獲省部級二等獎和中國專利優(yōu)秀獎各1項；培養(yǎng)碩士研究生3名。