【摘 要】
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井用潜水泵是电机与水泵直联一体潜入水中工作的一种重要提水工具。随着数值模拟与优化设计技术在泵研究领域的应用与发展,井用潜水泵的性能得到了一定程度提高,然而其设计过程多依赖于设计者经验,缺乏相应的设计模型,导致水泵效率偏低。叶轮作为井用潜水泵的核心水力部件,对水泵的水力性能有着重要的影响。为此,开展叶轮水力学优化设计对提高井用潜水泵的综合性能具有重要研究意义。本文以200QJ20型井用潜水泵为研究对
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井用潜水泵是电机与水泵直联一体潜入水中工作的一种重要提水工具。随着数值模拟与优化设计技术在泵研究领域的应用与发展,井用潜水泵的性能得到了一定程度提高,然而其设计过程多依赖于设计者经验,缺乏相应的设计模型,导致水泵效率偏低。叶轮作为井用潜水泵的核心水力部件,对水泵的水力性能有着重要的影响。为此,开展叶轮水力学优化设计对提高井用潜水泵的综合性能具有重要研究意义。本文以200QJ20型井用潜水泵为研究对象,采用数值模拟、实验验证、多目标优化设计相结合的方法,开展水泵性能分析及叶轮水力学优化设计。其主要研究内容包括:（1）采用CFturbo软件构建井用潜水泵三维实体模型,基于ANSYS软件对模型进行结构化网格划分及水泵性能数值模拟。搭建井用潜水泵性能实验测试平台,对水泵外特性仿真曲线与外特性实验曲线进行对比分析,验证三维实体模型以及仿真模拟计算的准确性和可靠性。（2）在叶轮进口安放角、出口安放角、出口宽度、叶片包角与时序位置匹配关系单一因素变化时,利用ANSYS CFX软件进行定常与非定常仿真分析,研究井用潜水泵外特性、次级叶轮与空间导叶的中截面压力分布与速度流线分布以及次级叶轮与空间导叶进出口处的压力脉动变化规律。（3）采用Plackett-Burman试验设计方法对叶轮主要结构参数进行影响因素显著性分析,确定出口安放角、出口宽度和叶片包角为显著性影响因素及其取值范围。采用均匀试验设计方法构建RBF神经网络的训练样本,建立井用潜水泵的水力性能预测模型,并验证预测模型的准确性。（4）以扬程和效率为优化目标,采用多目标粒子群算法对RBF神经网络建立的水力性能预测模型进行寻优求解,获取Pareto最优解集。以初始模型的扬程和效率为边界,寻求Pareto较优解及对应的结构参数。优化后扬程较优个体的扬程提高了约2.65米,效率较优个体的效率提升了约2.3个百分点。优化后叶轮流道压力梯度更为明显,做功能力显著提高,空间导叶涡流区域变小,且流线更规则,在叶轮进出口以及空间导叶进口处压力脉动幅值显著降低。
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