基于Fluent/ISIGHT 貫流式潛水泵流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉國(guó)勇，徐培智，王志明，尹忠俊，郝鵬鵬，朱冬梅

（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北襄陽(yáng) 441001）

礦用潛水泵［1］作為機(jī)電一體化新型排水設(shè)備，具有不怕水淹、高揚(yáng)程、大流量等優(yōu)勢(shì)，在處理透水事故中發(fā)揮積極作用，是應(yīng)對(duì)礦井水災(zāi)的重要搶險(xiǎn)工具［2］.潛水泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法發(fā)展至今，從最初的速度系數(shù)法優(yōu)化設(shè)計(jì)、損失極值法優(yōu)化設(shè)計(jì)，衍化到如今結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）優(yōu)化設(shè)計(jì)和多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)法［3-4］，大大縮短了泵的設(shè)計(jì)周期.董敏等［5］選擇多目標(biāo)優(yōu)化與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，利用遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解.王玉勤等［6］建立以泵汽蝕余量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用正交試驗(yàn)對(duì)離心泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).Wang等［7］采用直接數(shù)值模擬方法，研究了單向耦合條件下平面湍流壁面射流中慣性粒子的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.邱勇等［8］采用Mixture 多相流模型對(duì)雙葉片泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行三維非定常模擬計(jì)算，分析了不同工況和顆粒物性下泵徑向力特性的變化規(guī)律.曹衛(wèi)東等［9］基于CFX軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)裝配了不同尺寸后蓋板的葉輪、導(dǎo)葉、進(jìn)出水段的礦用搶險(xiǎn)多級(jí)排水泵的全流場(chǎng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬.21 世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，CFD 也隨之日趨成熟［10］.Wang 等［11］采用混合多相流模型、RNGk-ε湍流模型和協(xié)調(diào)一致壓力耦合方程的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Consistent，SIMPLEC）算法對(duì)離心泵的兩相流進(jìn)行了模擬，分析了顆粒尺寸對(duì)內(nèi)部壓力分布、固體體積分布和外部特性的影響.以上關(guān)于潛水泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究仍然停留在對(duì)單一結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析，對(duì)于泵內(nèi)流場(chǎng)的復(fù)雜流域結(jié)構(gòu)，必須綜合多種結(jié)構(gòu)參數(shù)整體分析結(jié)構(gòu)影響特點(diǎn)，從而得出最優(yōu)化的結(jié)果.

本文針對(duì)貫流式潛水泵的流場(chǎng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出一種綜合揚(yáng)程、效率和輕量化目標(biāo)的多結(jié)構(gòu)參數(shù)整體優(yōu)化方案，基于Fluent 流體仿真軟件建立貫流式潛水泵全流場(chǎng)仿真模型.分析葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)潛水泵流場(chǎng)流動(dòng)特性的影響，通過(guò)ISIGHT 優(yōu)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化潛水泵建模仿真過(guò)程，采用智能優(yōu)化算法對(duì)潛水泵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)多因素優(yōu)化，確定具體的優(yōu)化結(jié)構(gòu).本文研究旨在優(yōu)化出一種能滿足礦井水突事故搶險(xiǎn)救災(zāi)需求的大流量輕量化高效礦用潛水泵.

1 CFD仿真模型建立

1.1 流場(chǎng)模型建立

貫流式潛水泵吸水方式是由下至上，在搶險(xiǎn)吸水的過(guò)程中能夠?yàn)殡妱?dòng)機(jī)發(fā)熱段提供持續(xù)冷卻散熱，保證電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性和安全性.在應(yīng)對(duì)不同復(fù)雜搶險(xiǎn)救災(zāi)環(huán)境時(shí)可以根據(jù)需求將多個(gè)潛水泵串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)增大揚(yáng)程的效果，避免多級(jí)潛水泵的體型笨重和運(yùn)輸困難問(wèn)題，可以柔性應(yīng)用于各種復(fù)雜搶險(xiǎn)情況.

貫流式潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括導(dǎo)葉體、葉輪、進(jìn)水段、電動(dòng)機(jī)以及主軸等機(jī)械部件.基于這種貫流式潛水泵結(jié)構(gòu)通過(guò)SpaceClaim 中的體積抽取工具獲取水體結(jié)構(gòu)模型，體積抽取工具能夠完好地獲取流體機(jī)械內(nèi)部的封閉流體域，然后對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到潛水泵的流場(chǎng)水體模型.貫流式潛水泵流場(chǎng)三維模型和截面圖如圖2所示.

圖1 貫流式潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of a tubular submersible pump

圖2 貫流式潛水泵流場(chǎng)三維模型和截面圖Fig.2 Three-dimensional model of flow field and sectional view of tubular submersible pump

在潛水泵流體域中，為了引導(dǎo)葉輪水流旋轉(zhuǎn)方向，在貫流式蝸殼結(jié)構(gòu)與葉輪出水口外添加軸向?qū)~，將流體引流成軸向方向，提高流體結(jié)構(gòu)的葉輪旋轉(zhuǎn)能量利用效率，從而起到提高揚(yáng)程和效率的作用.數(shù)值計(jì)算過(guò)程中將整體貫流式潛水泵水體結(jié)構(gòu)劃分為進(jìn)水段、葉輪和外流道三部分，如圖3所示.

圖3 貫流式潛水泵水體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 Three-dimensional model of water structure of tubular submersible pump

1.2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用ICEM-CFD 軟件分別對(duì)進(jìn)水段、葉輪以及外流道流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.進(jìn)水段采用O-Grid 方法劃分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因葉輪和外流道流域?yàn)椴灰?guī)則的空間曲面結(jié)構(gòu)，故采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，然后通過(guò)Make Polyhedra 功能轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格.各水體部分網(wǎng)格模型如圖4所示.

圖4 貫流式潛水泵流場(chǎng)網(wǎng)格模型Fig.4 Grid model of flow field of tubular submersible pump

流場(chǎng)數(shù)值模擬精度受網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的影響，而網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量又受到計(jì)算機(jī)資源配置的限制.因此，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.采用Fluent 流體仿真軟件對(duì)貫流式潛水泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)定常計(jì)算，根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量與揚(yáng)程關(guān)系來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性.結(jié)果如表1所示.

由表1 可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于146 萬(wàn)時(shí)，潛水泵揚(yáng)程的誤差值在1.0%以內(nèi)，基本可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到146 萬(wàn)后仿真結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān).考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算資源配置合理性，選取方案d 作為后續(xù)仿真模擬的網(wǎng)格數(shù)量.

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Grid independence validation

1.3 邊界條件及求解器設(shè)置

采用Fluent 軟件對(duì)貫流式潛水泵進(jìn)行全流場(chǎng)仿真，全局設(shè)置重力加速度9.81 m/s2，方向?yàn)檩S方向，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，葉輪流體區(qū)域設(shè)置為框架運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向由右手定則確定，轉(zhuǎn)速N為3 600 r/min.

進(jìn)水口：本文的潛水泵設(shè)計(jì)額定流量為240 m3/h，采用速度入口，速度大小v根據(jù)流量和入口截面確定：

式中：Q為泵的流量；ρ為流體的密度；S為截面面積；R為截面半徑.

出水口采用壓力出口.靜壁面采用無(wú)滑移壁面，選用標(biāo)準(zhǔn)粗糙模型，粗糙度值設(shè)置為0.025 mm.旋轉(zhuǎn)壁面的葉輪部分選用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用無(wú)滑移壁面.交界面選擇進(jìn)水段與葉輪進(jìn)口的交界面及葉輪出口與貫流式外流道入口的交界面.計(jì)算定常過(guò)程的流體主要為液態(tài)水，選用壓力基礎(chǔ)求解器，求解算法選用壓力耦合方程的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE）算法，插值計(jì)算方法平衡考慮精度和計(jì)算量后選用二階迎風(fēng)格式.初始化進(jìn)水口，設(shè)定計(jì)算步數(shù)，開(kāi)始計(jì)算直到結(jié)果收斂.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

本文潛水泵水力性能的主要指標(biāo)為揚(yáng)程與水力效率，葉輪為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu).葉輪參數(shù)結(jié)構(gòu)定義如圖5所示.

由圖5 可知，潛水泵的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有6個(gè)：①葉輪直徑d2，葉輪的主要尺寸指標(biāo)；②葉片包角φ，葉片兩端與軸心連線形成的夾角；③出口安放角β2，葉片出口切線與葉輪圓周法線夾角；④葉片厚度s，葉片厚度設(shè)為均勻厚度；⑤出口寬度b2，葉輪出口的寬度，也可以認(rèn)為葉輪出口的厚度；⑥葉片數(shù)量n.

圖5 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)定義Fig.5 Impeller structure parameters definition

CFturbo 旋轉(zhuǎn)機(jī)械建模軟件按照實(shí)際潛水泵流量240 m3/h、揚(yáng)程120 m、轉(zhuǎn)速3 600 r/min要求得到葉輪結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，如表2 所示.后續(xù)的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和分析.

表2 CFturbo葉輪結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 CFturbo experiential impeller structure parameters

2.2 潛水泵性能參數(shù)

潛水泵的主要水力性能指標(biāo)為揚(yáng)程與水力效率，其詳細(xì)說(shuō)明如下.

1）揚(yáng)程是指水泵能夠揚(yáng)水的高度，通常以符號(hào)H來(lái)表示，單位為m，計(jì)算公式為：

式中：P1、P2分別為潛水泵進(jìn)、出口處液體總壓力；v1、v2分別為潛水泵進(jìn)、出口處液體的絕對(duì)速度；Z1、Z2分別為潛水泵進(jìn)、出口處相對(duì)任一基準(zhǔn)垂直方向距離的位置；g為重力加速度.

2）水力效率為有效功率和軸功率之比，用η表示，其公式表達(dá)如下：

式中：M為葉輪軸輸入力矩，N·m；ω為葉輪角速度，rad/s.

2.3 葉輪直徑對(duì)潛水泵性能的影響

建立葉輪直徑d2分別為266 mm、276 mm、286 mm 的仿真模型，通過(guò)潛水泵定常仿真模擬，分析不同葉輪直徑的流場(chǎng)影響規(guī)律.

圖6 為不同流量工況下葉輪直徑對(duì)揚(yáng)程和水力效率影響曲線.由圖6 可知，當(dāng)流量為160～440 m3/h時(shí)，隨著流量增大，流速增大，導(dǎo)致水泵內(nèi)部水流消耗揚(yáng)程增加，有效揚(yáng)程降低，所以揚(yáng)程隨著葉輪直徑的增大而增大.當(dāng)流量為160～360 m3/h 時(shí)，水力效率隨著葉輪直徑增大而降低.當(dāng)流量為360～440 m3/h時(shí)，水力效率基本隨著葉輪直徑增大而增大，水力效率極值點(diǎn)隨著葉輪直徑的增大逐漸向小流量區(qū)偏移.隨著葉輪直徑增大，葉片尺寸也增大，葉片掃掠面積增大，對(duì)于流體的驅(qū)動(dòng)力更大，所以揚(yáng)程會(huì)提升.當(dāng)潛水泵中的流量逐漸增大時(shí)，葉輪中的流體速度增大，單位時(shí)間內(nèi)流體和葉片表面接觸的摩擦力增大，導(dǎo)致流體局部摩擦能量損失增加.由圖6（a）可以看出，公式（3）中流量和揚(yáng)程的乘積大小是隨著流量的增大而減小的，所以，葉輪在大流量范圍的水力效率降低.

圖6 不同流量工況下葉輪直徑對(duì)揚(yáng)程和水力效率影響曲線Fig.6 Influence curve of impeller diameter on head and efficiency under different flow conditions

2.4 葉輪包角對(duì)潛水泵性能的影響

葉片包角是影響葉輪對(duì)流體控制能力的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，為了分析葉輪結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，建立葉片包角φ分別為116°、120°、124°的3 組不同潛水泵全流場(chǎng)仿真模型.

圖7 為不同流量工況下葉片包角對(duì)揚(yáng)程和水力效率影響曲線.由圖7 可知，當(dāng)流量為160～440 m3/h時(shí)，揚(yáng)程隨著葉片包角的增大而減小，隨著流量增大而減小.這是因?yàn)槿~片包角影響了葉輪出口液體的滑移，包角的增大使液體受到葉片更強(qiáng)的約束，滑移程度降低，隨著流量增大，揚(yáng)程下降速度加快.

圖7 不同流量工況下葉片包角對(duì)揚(yáng)程和水力效率影響曲線Fig.7 Influence curve of impeller blade wrap angles on head and efficiency under different flow conditions

當(dāng)流量為160～360 m3/h 時(shí)，水力效率隨著葉片包角增大而升高；當(dāng)流量為360～440 m3/h 時(shí)，水力效率基本隨著葉片包角增大而降低，效率極值點(diǎn)隨著葉片包角的增大逐漸向小流量區(qū)偏移.這主要是因?yàn)槿~片掃掠接觸面積增大，對(duì)進(jìn)出口流體的控制力更強(qiáng)，但是摩擦阻力耗能增加更明顯.在小流量范圍內(nèi)，由于包角的增大，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散減小，流動(dòng)更貼近葉片形狀，葉片控制力作用明顯，水利損失較小，所以隨著包角增大，能夠提高潛水泵整體的效率；但是隨著流量增大，單位時(shí)間內(nèi)流體與葉片表面接觸產(chǎn)生的摩擦力增大，摩擦能量損失增速加快，導(dǎo)致水力效率開(kāi)始降低.

2.5 葉輪出口寬度對(duì)潛水泵性能的影響

葉輪出口寬度是控制葉輪流場(chǎng)空間的重要參數(shù).建立出口寬度b2分別為20 mm、22 mm、24 mm 的3組不同葉輪流場(chǎng)仿真模型，對(duì)葉輪的出口寬度影響規(guī)律進(jìn)行分析.

圖8 為不同流量工況下葉輪出口寬度對(duì)揚(yáng)程和效率影響曲線.由圖8 可知，當(dāng)流量為160～440 m3/h時(shí)，揚(yáng)程隨著葉輪出口寬度的增大而增大，隨著流量的增加而減小，葉輪出口寬度越大，揚(yáng)程降低速率越小.當(dāng)流量為160～440 m3/h 時(shí)，效率隨著葉輪出口寬度增大而減小，效率極值點(diǎn)基本保持在300 m3/h 左右.葉輪出口寬度的大小決定葉輪內(nèi)部的流體空間和葉片軸向方向的寬度，流體空間增大，葉片與流體接觸面積就會(huì)增大，導(dǎo)致葉片表面的沿程阻力能量損失提高，加上葉輪出口處的局部阻力能量損失提高，產(chǎn)生了出口寬度越大，潛水泵效率越低的現(xiàn)象.

圖8 不同流量工況下葉輪出口寬度對(duì)揚(yáng)程和效率影響曲線Fig.8 Influence curve of impeller outlet width on head and efficiency under different flow conditions

2.6 葉片數(shù)量對(duì)潛水泵性能的影響

葉片數(shù)量的變化能夠很明顯地改變?nèi)~輪內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu).建立葉片數(shù)量n分別為4、5、6 的3 組不同的葉輪流場(chǎng)仿真模型.

圖9 為不同葉片數(shù)量下?lián)P程和水力效率隨流量變化曲線.由圖9可知，當(dāng)流量為160～440 m3/h時(shí)，揚(yáng)程隨葉片數(shù)量的增加而增大，但隨著流量的增大，揚(yáng)程增加的幅度減小，符合壓力云圖的入口負(fù)壓值增大的流場(chǎng)特性.當(dāng)流量為160～440 m3/h 時(shí)，水力效率隨葉片數(shù)量增加而減小，效率極值點(diǎn)隨著葉片數(shù)量的增加逐漸向小流量區(qū)偏移.葉片數(shù)量的增加能夠顯著提高葉輪對(duì)流體的做功能力，提高潛水泵的揚(yáng)程特性.但是，由于增加了葉片數(shù)量，導(dǎo)致葉輪中葉片與流體接觸面積增大，產(chǎn)生的沿程阻力耗能增加，從而導(dǎo)致潛水泵整體的效率下降.由圖9 可知，較多的葉片能夠提高揚(yáng)程，但是只適用于流量工況不是很大的情況.

圖9 不同葉片數(shù)量下?lián)P程和水力效率隨流量變化曲線Fig.9 Influence curve of impeller number on head nd efficiency under different flow conditions

3 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 ISIGHT優(yōu)化流程

ISIGHT 優(yōu)化平臺(tái)是一個(gè)模塊化的流程軟件［12］，可以通過(guò)調(diào)用其中的模塊將多個(gè)外部軟件集合到優(yōu)化平臺(tái)中.本文選用CFturbo 和PumpLinx 作為ISIGHT 優(yōu)化平臺(tái)中潛水泵葉輪結(jié)構(gòu)建模和仿真軟件.主要原因是，CFturbo 和PumpLinx 軟件均能夠把參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)置記錄下來(lái)，生成批處理文件（batch 文件），可以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中節(jié)省大量編寫(xiě)程式的時(shí)間.同時(shí)，CFturbo 與PumpLinx 之間具有非常優(yōu)秀的接口關(guān)系，CFturbo 建立的潛水泵模型能夠直接從CFturbo建模軟件中啟動(dòng)PumpLinx流體仿真軟件，并且自動(dòng)選擇相應(yīng)的泵模板和求解模型，直接進(jìn)入PumpLinx 的計(jì)算階段.ISIGHT 可以將其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)化，便于智能算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和更改.圖10為ISIGHT優(yōu)化流程.

圖10 ISIGHT優(yōu)化流程Fig.10 ISIGHT optimization flow

由圖10 可知，計(jì)算器模塊統(tǒng)一整個(gè)流程中的參數(shù)變量；CFturbo 讀取寫(xiě)入模塊負(fù)責(zé)batch 文件的讀取和寫(xiě)入；CFturbo 軟件模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)用軟件；PumpLinx 讀取寫(xiě)入模塊負(fù)責(zé)將spro 文件讀取和寫(xiě)入，將其中的迭代步數(shù)、收斂條件和網(wǎng)格尺寸設(shè)置成參數(shù)變量；PumpLinx軟件模塊調(diào)用軟件；仿真結(jié)果數(shù)據(jù)提取模塊負(fù)責(zé)計(jì)算揚(yáng)程和效率所需的進(jìn)出口總壓和葉輪力矩；輸出結(jié)果讀取模塊將輸出的總壓和力矩結(jié)果讀取并參數(shù)化寫(xiě)入優(yōu)化流程中；計(jì)算器模塊2將結(jié)果轉(zhuǎn)化為揚(yáng)程和效率；優(yōu)化算法模塊能監(jiān)測(cè)所有參數(shù)化的數(shù)據(jù)，并且設(shè)置葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍、約束條件和結(jié)果優(yōu)化目標(biāo)［13］.

整個(gè)優(yōu)化流程通過(guò)優(yōu)化算法模塊進(jìn)行調(diào)控，仿真結(jié)束后提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)計(jì)算揚(yáng)程和效率，然后將性能結(jié)果輸入優(yōu)化模塊中，通過(guò)智能算法計(jì)算下一步優(yōu)化參數(shù)，從而繼續(xù)修改葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的高效優(yōu)化過(guò)程.

3.2 優(yōu)化數(shù)值模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文有3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：目標(biāo)1是提高潛水泵設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程f1（x），目標(biāo)2 是提高潛水泵設(shè)計(jì)工況下的效率f2（x），目標(biāo)3 是減小潛水泵葉輪結(jié)構(gòu)的體積從而實(shí)現(xiàn)輕量化f3（x）.因此，可以將整個(gè)優(yōu)化流程簡(jiǎn)化為求極值的問(wèn)題［14］：

3.2.2 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量也就是潛水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括葉輪直徑、葉片包角、葉片出口安放角、葉片厚度、葉輪出口寬度和葉片數(shù)量.設(shè)計(jì)變量表達(dá)式為：

3.2.3 約束條件

約束條件是優(yōu)化過(guò)程中的必要限制，可以分為性能約束和側(cè)面約束.在本文中，性能約束為潛水泵的基本性能要求，即揚(yáng)程120 m、效率65%；側(cè)面約束則是設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化范圍，也就是給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍.設(shè)計(jì)變量取值范圍如表3所示.

表3 設(shè)計(jì)變量取值范圍Tab.3 Value range of design variables

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

多島遺傳算法能夠明顯提升潛水泵輕量化，并且能夠明顯優(yōu)化揚(yáng)程和效率.基于本文輕量化優(yōu)化目標(biāo)，確定選用多島遺傳算法進(jìn)行潛水泵性能優(yōu)化和研究.

通過(guò)多島遺傳算法設(shè)置5 個(gè)島，6 次遺傳，10 次迭代優(yōu)化，最終優(yōu)化次數(shù)為300 次.潛水泵優(yōu)化結(jié)果散點(diǎn)分布圖如圖11所示.

圖11 潛水泵優(yōu)化結(jié)果散點(diǎn)分布圖Fig.11 Scatter distribution diagram of submersible pump optimization results

優(yōu)化迭代后得到貫流式潛水泵優(yōu)化仿真結(jié)果，揚(yáng)程為124.4 m、水力效率為68.1%、葉輪直徑為270.7 mm.優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量對(duì)比如表4 所示.額定流量工況下，貫流式潛水泵揚(yáng)程、水力效率、葉輪直徑對(duì)比結(jié)果如表5 所示，生成的外特性性能曲線如圖12所示.

圖12 優(yōu)化前后潛水泵外特性性能曲線Fig.12 The external characteristic curve of submersible pump before and after optimization

表4 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量對(duì)比Tab.4 Comparison of design variables before and after optimization

表5 優(yōu)化前后貫流式潛水泵目標(biāo)參數(shù)對(duì)比Tab.5 Comparison of target parameters of tubular submersible pump before and after optimization

由表5 可知，葉輪參數(shù)優(yōu)化前后潛水泵額定流量工況的揚(yáng)程提升5.1%，水力效率提升2.1%，葉輪直徑減小1.9%，3 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都有非常明顯的優(yōu)化提升.由圖12 可知，優(yōu)化后的揚(yáng)程在所有流量工況下都明顯優(yōu)于優(yōu)化前，但是優(yōu)化后揚(yáng)程曲線在高流量工況下的下降趨勢(shì)更快.優(yōu)化后的水力效率曲線的極值點(diǎn)在280 m3/h 流量附近，優(yōu)化前的水力效率曲線的極值點(diǎn)在280～320 m3/h 流量?jī)?nèi)；優(yōu)化后的水力效率總體優(yōu)于優(yōu)化前，并且水力效率曲線的極值點(diǎn)更靠近240 m3/h的額定流量工況.

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的精度及準(zhǔn)確性，由潛水泵廠家根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)生產(chǎn)了QW-240-120 排水搶險(xiǎn)潛水泵.使用流量計(jì)和壓力表對(duì)該潛水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（圖13），在水溫25 ℃時(shí)，測(cè)得流量為240.65 m3/h，進(jìn)出口壓差值為1.213 kPa，可計(jì)算得出揚(yáng)程為124.78 m.優(yōu)化后潛水泵結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值對(duì)比如表6所示.

圖13 QW-240-120潛水泵測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.13 QW-240-120 submersible pump measurement data

由表6 可知，在流量誤差為0.27%的情況下，揚(yáng)程誤差為0.31%，差值較小，可以說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果良好，潛水泵性能提升明顯.

表6 試驗(yàn)值與優(yōu)化值對(duì)比Tab.6 Comparison of experimental values and optimized values

4 結(jié)論

基于Fluent 流體軟件建立貫流式潛水泵全流場(chǎng)仿真模型，在CFturbo 旋轉(zhuǎn)機(jī)械建模軟件生成的經(jīng)驗(yàn)葉輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)引起的流場(chǎng)特性和性能特性進(jìn)行定常仿真模擬分析，得出結(jié)論如下：

1）葉輪直徑增大能夠顯著提高潛水泵的揚(yáng)程，提升大流量工況下潛水泵的水力效率，在保證潛水泵輕量化要求下，可以選用較大的葉輪直徑.葉片包角增大會(huì)降低潛水泵的揚(yáng)程，但是，在小流量工況下能夠明顯提升潛水泵的水力效率，并且最優(yōu)效率點(diǎn)向小流量區(qū)偏移.由于葉輪出口寬度增大會(huì)增大潛水泵的揚(yáng)程，降低水力效率，所以需要按照實(shí)際需求來(lái)選擇合適的葉輪出口寬度.葉片數(shù)量增加能夠明顯提高潛水泵的揚(yáng)程，但是，水力效率會(huì)降低，必須綜合揚(yáng)程和水力效率要求選擇合適的葉片數(shù)量.

2）實(shí)現(xiàn)ISIGHT 優(yōu)化平臺(tái)的集成參數(shù)化建模和智能算法多因素多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方案，通過(guò)多島遺傳算法5 個(gè)島，6 次遺傳，10 次迭代優(yōu)化，總次數(shù)300次的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程，得到最優(yōu)的葉輪參數(shù)結(jié)構(gòu)為：葉輪直徑270.67 mm、出口寬度24.6 mm、葉片數(shù)量6個(gè)、葉片厚度4.5 mm、出口安放角27.6°、葉片包角116.4°.優(yōu)化后結(jié)果在額定流量工況下?lián)P程提升5.1%，水力效率提升2.1%，葉輪直徑減小1.9%，不同流量工況下，優(yōu)化后的潛水泵揚(yáng)程和水力效率總體優(yōu)于優(yōu)化前.在額定流量為240 m3/h 工況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，得到進(jìn)出口壓差值為1.213 kPa、揚(yáng)程為124.78 m，優(yōu)化仿真揚(yáng)程為124.4 m，差值僅為0.31%.說(shuō)明通過(guò)ISIGHT 優(yōu)化平臺(tái)得出的優(yōu)化方案可靠，能夠提升潛水泵性能.