【摘 要】
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本文的研究工作在江苏省自然科学青年基金“新型开放式水泵旋转效应下的流动特性及水力优化研究”（编号BK20180871）和国家博士后面上项目“基于无管路的新型开放式水泵水力设计及清洗特性研究”（编号2018M640462）以及江苏省高等学校自然科学研究面上项目“开放式水泵内新型动静干涉机理的研究”（编号18KJB470005）的资助下展开。开放式水泵作为水槽式洗碗机的核心组件,主要包括叶轮、蜗壳和喷
【基金项目】
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江苏省自然科学青年基金“新型开放式水泵旋转效应下的流动特性及水力优化研究”（编号BK20180871）； 国家博士后面上项目“基于无管路的新型开放式水泵水力设计及清洗特性研究”（编号2018M640462）； 江苏省高等学校自然科学研究面上项目“开放式水泵内新型动静干涉机理的研究”（编号18KJB470005）；
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本文的研究工作在江苏省自然科学青年基金“新型开放式水泵旋转效应下的流动特性及水力优化研究”（编号BK20180871）和国家博士后面上项目“基于无管路的新型开放式水泵水力设计及清洗特性研究”（编号2018M640462）以及江苏省高等学校自然科学研究面上项目“开放式水泵内新型动静干涉机理的研究”（编号18KJB470005）的资助下展开。开放式水泵作为水槽式洗碗机的核心组件,主要包括叶轮、蜗壳和喷嘴三个部分。与传统泵不同的是,叶轮采用的是离心叶片和轴流叶片相结合的复合式叶轮,蜗壳采用具有两个对称流道的旋转式双隔舌蜗壳,出口则是多个喷嘴,这是一种新型的水泵,水力设计方法不同于传统的叶轮和蜗壳,蜗壳的被动旋转产生的“动动”干涉,使流场更加复杂,对水泵性能影响规律还不确定,急需深入研究。本文主要采用试验与数值模拟相结合的方法,探究了双隔舌蜗壳与传统单隔舌蜗壳的区别,蜗壳被动旋转对开放式水泵的影响,围绕“动静干涉”下的压力脉动、“动动干涉”下的新型压力脉动、开放式水泵内流场等方面内容开展研究,并对双隔舌蜗壳的结构进行多目标参数水力优化,设计出高效的开放式水泵模型,取得如下成果:（1）搭建了1:1的开放式水泵外特性试验台,进行开放式水泵的外特性试验,验证数值模拟结果的准确性。多次重复测量开放式水泵在全流量下的扬程和效率,并对测量数据进行试验不确定度分析,保证试验的准确性,试验测得在设计工况Q=55L/min下,泵的扬程为2.24m,效率为42.52%。对开放式水泵全流道进行数值模拟,计算出8种不同流量下开放式水泵的扬程和效率,并将模拟所得数据与试验数据进行对比。结果表明,设计工况下,模拟与试验的开放式水泵扬程误差为3.2%,效率误差为8.3%,建立了高效可靠的模拟策略,为后续的研究提供可靠的数值模拟方法。（2）搭建了真机模拟试验台,发明了旋转压力脉动测试装置,分别测量6种不同叶轮转速下单隔舌蜗壳静止、双隔舌蜗壳静止以及双隔舌蜗壳被动旋转时的压力脉动特性,解决蜗壳旋转条件下压力脉动测试难题。通过压力脉动时、频域分析、压力平均值分析、泵外特性分析、内流场分析,揭示了单、双隔舌蜗壳的区别以及蜗壳旋转对开放式水泵的影响规律。结果表明,在叶轮旋转一圈的时间内,单隔舌蜗壳内的压力脉动有8个波峰和波谷,而双隔舌蜗壳内的压力脉动有16个波峰和波谷,波峰和波谷的数量与叶片数和蜗壳隔舌数的乘积相等。单隔舌蜗壳内压力脉动主频主要为1倍叶频,双隔舌蜗壳内的压力脉动主频主要为2倍叶频;当叶轮转速为3000r/min时,相比于双隔舌蜗壳静止,双隔舌蜗壳旋转条件下各个压力脉动监测点下的压力平均值都略低。不同叶轮转速下,双隔舌蜗壳旋转时p1监测点的压力脉动主频均小于双隔舌蜗壳静止时的压力脉动主频,且主频所对应幅值也整体减小。说明压力脉动的时域曲线的周期和压力脉动主频都与蜗壳隔舌数和叶片数成正相关;蜗壳旋转时泵内压力脉动分布更加均匀,且压力脉动振幅整体减小,此外旋转蜗壳还能够改善蜗壳流道内的流态,使得开放式水泵内的涡量减小。（3）通过Creo三维建模软件对双隔舌蜗壳结构进行参数优化建模,用6个参数定义了蜗壳主要型线的曲率半径,并联合ANSYS Workbench软件,搭建仿真和优化流程。定义开放式水泵的扬程和效率作为优化目标,利用试验设计获得100个样本点,并通过遗传算法筛选出最优双隔舌蜗壳结构。根据优化结果,利用灵敏度分析、响应面分析等手段,得到6个输入参数分别对开放式水泵性能的影响规律,为进一步优化时输入参数的区间选取提供参考。结果表明,当DS＿1=99.72mm,DS＿2=200.01mm,DS＿3=101.88mm,DS＿4=70.479mm,DS＿5=48.492mm,DS＿6=29.182mm时双隔舌蜗壳结构最优,此时泵效率提高了2.73%,扬程为2.21m,满足设计扬程要求;6个输入参数对开放式水泵效率的敏感度均高于对开放式水泵扬程的敏感度,其中DS＿6的敏感度最高,DS＿3的敏感度最低;为了追求更高的效率,6个参数的取值区间分别为:100mm＜DS＿1或者0mm＜DS＿1＜40mm,0mm＜DS＿2＜200mm,220mm＜DS＿3＜230mm,350mm＜DS＿4＜360mm,45mm＜DS＿5＜50mm,29mm＜DS＿6＜30mm。（4）通过对优化前后两种方案进行非稳态计算,获取不同监测点位置上的压力值,对比了压力脉动时、频域信息以及压力平均值,揭示了叶轮和蜗壳内的压力脉动特性,通过对比分析叶轮和蜗壳内的湍动能、速度矢量、涡量以及定量分析了内部压力分布,获得开放式水泵的内流特性分布规律。结果表明,优化前后的两种模型压力脉动时、频域曲线变化规律基本一致。优化之后,泵内的平均压力整体上都有所提高,各个压力脉动监测点主频所对应的幅值也相比原始模型有所降低;叶轮和蜗壳内的流态得到改善,叶轮内的湍动能降低,蜗壳内的速度梯度变化更加均匀,并且蜗壳内的压力均有所提高。所以,优化后的模型能够有效降低泵内水力损失,提高泵内压力,因此开放式水泵的效率和扬程均提高。
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