程跃泵业DoE和CFD的方法优化设计双吸泵

根据具体应用的不同，对双吸蜗壳泵的性能要求也不一样。需要权衡考虑多个因素，包括效率，低关闭扬程，设计点性能和尺寸。在本文中，我们利用实验设计（DoE）和计算流体动力学（CFD）研究了相关设计优化问题。

根据双吸入腔的形状，我们可以对双吸蜗壳泵的叶轮进口进行优化的设计。因此，为了预测这类泵的性能，需要对所有的液压元件（叶轮，双吸室、出水蜗壳，或/和磨损间隙）进行建模。近几年，得益于并行计算系统的发展，利用CFD来进行大规模流体分析在涡轮机械研究中已变得越来越普遍。使用CFD来进行非稳态流分析也为人们所普遍接受。

我们设计了两种类型的双吸蜗壳泵。一种旨在效率，另一种则是针对低关闭扬程。我们通过使用DoE和CFD的方法对泵进行了优化设计。为了实现上述设计目标，我们再次确认了对所有液压元件进行优化设计的重要性，这些液压元件不仅仅有叶轮，还包括双吸室和出水蜗壳。采用等比例缩小的模型来对泵的性能进行实验验证。本文介绍了研发的结果。

此前的研究提出了一些针对涡轮机械（如混流泵，低温泵，带有吸入弯管的离心泵）的优化设计方法。此外，还有一些关于提高双吸蜗壳泵工作效率的优化设计方法的研究。首先，研究人员优化了叶轮，之后他们设计了双吸室和出水蜗壳。，利用CFD预测了整个流场。

因为液体需要通过双吸室才能进入叶轮旋转，所以非常有必要根据旋转速度来设计叶轮的入口形状。然而，双吸室环绕在出水蜗壳周围，所以必须在设计双吸室之前先对出水蜗壳进行设计。一方面，需要知道叶轮的出口流量以便将其作为设计出水蜗壳的入口边界条件。因此，在这项研究中，我们首先使用一个假定的入口条件来设计叶轮。然后，设计了出水蜗壳。接着，设计了双吸室，利用双吸室出口的流量条件重新对叶轮进行了设计。
为了实现效率，分别对叶轮、双吸室和出水蜗壳进行灵敏度分析。通过DoE的方法减少了分析次数，从而效地研究了设计参数的影响。根据DoE理论中的正交表，采用CFD方法对几何形状进行设计和分析。灵敏度分析证实了用于控制目标的设计参数的重要性。我们通过使用这些重要的设计参数来设计有价值的几何形状。
选择了六个叶轮设计参数。这些参数可能会影响泵的效率。这些参数包括入口直径、出口宽度、出口叶片角、叶片半径、轮毂半径、倾角、后缘堆积角，每个参数都会在三个层次上变化（低、中和高），使用L27正交表来研究叶轮几何形状的27个例子。

在周期性边界条件下，采用具有一螺距叶片通道的稳态流分析方法对每一个叶轮的性能进行评估。规定固定的总压力和流向作为入口边界条件。该入口流向主要根据原始的双吸室CFD分析结果而定。采用一个固定的质量流量条件作为出口边界条件。网格的数量大约在100万。我们使用CFD的计算结果来研究叶轮设计参数对叶轮效率的影响。

（作者：徐经理来源：河北程跃泵业有限公司）

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