葉輪優化的案例
漫談離心泵葉輪的優化設計
吉林省宇琦泵業有限公司
摘 要：葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件，涉及到人們關注的泵的整體能效和運行可靠性。本文從定性的角度、結合經驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何通過優化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能，僅供參考。
關鍵詞：離心泵 葉輪 優化 吸入性能 水力性能
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優化設計。為此，首先必須要弄清楚優化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據具體需要進行優化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導葉等過流零件。其實，對于離心泵葉輪的優化設計，作者在微信公眾號《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉速》、《葉輪幾何參數對離心泵性能的影響》等等。
流體機械屬于一門半理論、半經驗的學科，還存在很多無法準確設計/模擬/預測的地方，例如不同結構、不同溫度、不同泵送介質下無法準確地模擬出流體真實的流態及其對泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結合經驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何優化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
改善吸入性能
經常會看到來自各種專家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而，對于普通工程師和現場操作人員來說，汽蝕現象的診斷及避免/消除并不簡單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動力、賦予流體高旋轉力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對于泵本體來說，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。
展開 葉輪機械設計仿真優化
然而，在 NUMECA軟件平臺中,具有專業的多物理場耦合 Ipcc方法、氣動噪聲分析 FINE/VNoise、葉輪參數化擬合及造型 AotuBlade、優化平臺 FINE/Design3D，使得NUMECA成為目前唯一的一體化的葉輪機械設計分析優化平臺。
其他諸如 Fluent、 Star CCM+等通用CFD求解器，也能較好的提供葉輪機械氣動仿真解決方案，相比具有具有專用模塊的CFX和 NUMECA,通用CFD求解器在葉輪機械仿真前處理、求解和后處理過程中，效率較為低下，精度和準確度相對低一些，計算開銷較大。這里需要大家腦補一下周期性計算、B2B拓撲調整、子午展開等概念。
葉輪機械設計仿真優化從業者要想在該領域內閑庭信步，并顯得毫不費力，需要深厚的理論知識、豐富的工程經驗和設計仿真軟件使用精通三個維度的加持。
工欲善其事，必先利其器，選擇幾本理論書籍、積累工程經驗、選擇一款優秀的設計仿真軟件，是我們通往葉輪機械設計仿真優化成功的必經之路。
另外，大型葉輪機械CFD微信群已建立，已有320多人參加，高效研究所企業仿真機構各路大神等你來哦，微信號見評論。
展開 CAESES離心壓氣機葉輪優化案例分享
葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優化。該離心壓氣機主要性能參數及葉輪模型如下所示：
工作介質
空氣
流量
0.8kg/s
轉速
100000r/min
該優化案例的優化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環境，能夠高效的創建參數化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構建自動化網格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優化算法，根據仿真分析的結果調整葉輪模型參數，對葉輪性能進行自動優化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優化的典型流程如下：
模型的創建及變形控制
首先在CAESES軟件中構建全參數化葉輪模型，關鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6. 同樣的可生成小葉片模型，并設置大小葉片間的角度差為參數。
展開 葉輪機械優化設計與數據挖掘的研究
尊敬的各位老師，今天與大家分享第15期學術報告，西安交通大學宋老師等，葉輪機械優化設計與數據挖掘的研究，謝謝宋老師等人的分享！
FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計
離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據設計目標全新設計;(2)對現有葉輪進行設計優化。
全新設計葉輪需要根據設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數,再通過三維設計軟件對性能進行優化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。在工程開發上多采用第二種方式,即對現有葉輪重新設計并進行優化。
文中采用第二種方式,對現有某車用渦輪增壓器葉輪進行快速設計,以達到燃料電池離心空壓機的設計目標需求。
展開 “風扇葉輪智能優化設計”榮獲科研十大智能標桿案例
天洑憑借 “風扇葉輪智能優化設計” 案例，成功入選。該案例是基于天洑自主研發的優化設計軟件AIPOD實現的成功實踐，充分彰顯了公司在工業軟件領域的深厚技術積累與硬核創新能力，獲得了國家級權威機構的高度認可。
天洑將繼續專注工業人工智能與物理AI領域的研發應用，以創新技術驅動產業智能化。
Pumplinx車輛行業CFD應用與CFturbo葉輪機械優化設計
m=Article&a=show&id=383&atcatid=66
報名請點擊：https://jinshuju.net/f/KWGt9K
CFturbo活動：
海基科技將聯合CFturbo software & Engineering 公司于2016年6月23日在上海舉辦“CFturbo葉輪機械優化設計技術沙龍”活動，屆時將由來自德國CFturbo公司的葉輪機械設計專家為您帶來前沿的葉輪機械設計報告、國外設計理念、成功設計案例、CFturbo最新研發進展和在葉輪機械設計領域所取得成果分享。海基科技誠邀您參加。
詳情請點擊：http://www.hikeytech.com/index.php?m=Article&a=show&id=384&atcatid=66
報名請點擊：https://jinshuju.net/f/F6xC5w
展開 CAESES在離心葉輪造型及優化上的應用
在CAESES中可以采用專門的離心葉輪建模方法快速、方便的構建離心葉輪全參數化模型，也可以針對特殊結構進行造型研究（如下圖向心渦輪中的星型結構）。
葉輪模型
本文將以某離心壓氣機葉輪為例介紹CAESES中進行離心葉輪參數化建模及優化的方法。
全參數化模型
離心葉輪的建模難點在于葉片曲面的構建及參數化表達，CAESES對于離心式葉輪的構建，主要分為三個部分的內容：
1. 在子午平面上限定hub、shroud、LE、TE的形狀和位置曲線；
2. 在空間中創建一系列的中弧面流線并耦合成葉片中弧面；
3. 使用中弧面加厚度分布的方法創建出葉片曲面。
展開 葉輪機械設計分析優化軟件
這些軟件，你見過多少？你會多少？
帶有Scallops結構的渦輪葉輪優化
近期，CAESES與合作伙伴MTU公司（世界領先的柴油發動機制造商）以及Darmstadt大學共同研發出了一套專門針對渦輪增壓器渦輪葉輪的幾何處理系統。
在渦輪設計部分，主要思路是利用CAESES的幾何優化平臺將CFD流體分析和結構應力分析整合在一起。除此以外，還考慮了scallops結構的影響。
整合CFD流體分析以及結構應力分析
通常情況下，CFD流體工程師和結構工程師隸屬于不同的工作部門，在對渦輪葉輪分析時，大家對幾何的處理各不相同。我們的目標是創建一種統一的幾何模型，能同時適用于流體和結構這兩個不同領域的自動優化。
渦輪葉片
葉輪的造型是通過一組參數來實現變化的，既可以手動調整，也可以由優化算法驅動變形。在CAESES中，所有的葉片造型都能夠百分百的穩定運行，同時滿足生產過程中的約束。由于任何一個設計方案會涉及到大量的計算分析，選取的變形參數需要非常高效。
Scallops
Scallops結構目前已經廣泛用于渦輪增壓器的生產。其主要作用是在半徑較大處減少葉輪的質量，這對降低轉動慣量和離心力比較有利。然而，這種幾何變化通常會導致空氣動力性能的損耗。因此，這項工作的挑戰是找到一個合適的Scallop結構（與之對應一個葉片設計），能夠最好地權衡流體性能及結構應力情況。
周期計算域
在自動化的CFD流體性能優化過程中，CAESES能夠自動創建周期性的計算域，并輸出給CFD計算工具（此項目中采用了NUMECA）。
也可以只針對單只葉片進行結構分析，并可以在CAESES中可以通過內部嵌套的優化策略自動計算輪轂處的最大倒圓半徑。
展開 離心壓縮機葉輪振動特性仿真及試驗研究
但是兩者的絕對偏差都在6%以內，屬于可接受范圍[8-9] ，而且葉輪的固有頻率變化趨勢和模態陣型一致，所以我們可以認為用ANSYS有限元軟件計算葉輪模態得出的結果是可信的。
2 優化設計與分析
本文提出了三種葉輪優化方式，即改變葉片厚度、葉輪加筋和改變葉片數量，用來改變葉輪的固有頻率，使其錯開作用在葉輪上的激振力頻率。因為上文用LMS試驗方法驗證了ANSYS數值模擬分析的可信性，所以我們用ANSYS有限元軟件對這三種葉輪優化方式的結果進行分析，研究這三種優化方式對葉輪振動特性的影響程度和效果。
2.1 改變葉片厚度對葉輪振動特性的影響
葉片厚度是影響葉輪振動特性的主要參數之一，為了研究葉片厚度對葉輪振動特性的影響，在其他參數不變的條件下，葉片厚度設置為5mm、6mm和7mm進行模態分析對比。表2給出了三種葉片厚度葉輪的模態頻率。
2.2 葉輪加筋對葉輪振動特性的影響
葉輪加筋可以較大的改變葉輪的質量和剛度，會對葉輪的模態頻率造成比較大的影響，為了確定加筋的影響效果和程度，對葉輪進行加筋，見圖9。
在其他條件不變的情況下，分別用ANSYS有限元軟件，對不加筋和加筋葉輪分別進行模態分析，結果見表3。
2.3 改變葉片數量對葉輪振動特性的影響
為了研究不同葉片數量對葉輪振動特性優化的影響程度和效果，在保證其他參數不變基礎上，分別對采用9組、10組和11組長短葉片的葉輪進行模態數值模擬分析，計算出其模態頻率見表4。
展開 
基于高精度湍流模擬的葉輪機械設計與優化 清華大學蘇欣榮
來源：熱機氣動熱力學與流體機械
旋轉機械CFD仿真解決方案合集，涉及發動機、風機、水輪機（內含6個免費干貨視頻）
2023年5月18日 一站式葉輪機械設計與優化方案
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葉輪機械的設計和優化對于提高機械效率、降低能耗、延長機械壽命具有重要意義。葉輪機械的優化設計需要3D造型，網格構建及性能評估等多次迭代，如何構建全自動化流程及減少人工干預，答案就在本期“Fidelity一站式葉輪機械優化設計流程介紹”。本次直播主要介紹基于Fidelity的葉輪機械設計與優化流程。包括：葉片初始設計、詳細設計、3D建模與逆向、CFD前處理與計算、多目標優化等。
2023年6月27日 Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題-第二期
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旋轉機械的CFD模擬需要設置旋轉和靜止兩個計算域。構建旋轉區域和靜止區域的網格并建立兩個區域的數據傳遞關系是旋轉機械CFD關注的最重要的主題。如何采用更專業的葉輪機械CFD工具建立高質量的葉片流道和蝸殼網格并建立動靜部件的關聯，進而執行高精度快速求解，答案就在本期的“基于混合網格的渦輪增壓器CFD仿真”網絡研討會。本次直播作為Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題的第二期，詳細介紹基于Fidelity CFD的葉輪機械模擬實現方法。
2023年10月25日 Fidelity風機高質量網格仿真一體化解決方案——Cadence CFD 極速前處理
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風機的氣動性能仿真是一個復雜問題，涉及到不同時間和空間尺度，要想得到高保真度的風機性能預報，必須有高質量的網格提供保障。如何采用更專業的CFD工具，進行快速、高質量的風機網格制作，以及快速、高精度地預測其氣動特性，答案就在本期的Fidelity Pointwise風機高質量網格制作和仿真一體化解決方案。
展開 AIPump——專業的泵參數化設計、三維建模平臺
這樣的好處一是能夠對已有葉輪建立參數化數據庫，二是能夠對后續的模型修改提供極大的便利。
S2分析和優化
在工程實踐中，快速地獲取設計方案的性能指標，有助于設計人員及時的調整設計方案，從而為后續的三維CFD計算和模型試驗規避不必要的風險，縮短初步設計至成品生產的產品周期。因此，AIPump基于S2流面分析和流體損失模型，開發了水力特性快速分析功能。
結合優秀的人工智能尋優算法——遺傳算法，AIPump開發了葉輪優化功能。以提升效率為目標進行尋優計算，智能實現葉輪的優化設計。
螺旋形壓水室
壓水室的作用是收集從葉輪中流出的液體，并輸送至排出口或下一級葉輪。同時降低液體速度，使動壓能轉換為靜壓能。
螺旋形壓水室是單級離心泵中應用廣泛的壓水室形式。AIPump支持單/雙蝸殼、切/徑向出流方向等條件下螺旋形壓水室的參數化設計和建模功能。
導葉設計
導葉主要應用在多級泵中，AIPump支持兩種類型導葉的建模功能，分別為正反導葉和流道式導葉。
數據接口支持
AIPump支持curves文件、step模型的導入逆向操作。輸出格式支持step、iges、curves等格式。能夠輸出CFX腳本，讓用戶快速進行CFD分析。此外，AIPump可以與CAESES軟件耦合，自動生成全參數化模型，方便進一步的調整。
展開 離心/混流泵水力設計
小結
葉輪的設計過程主要分為三個大步驟和若干小步驟，參數較多，步驟繁瑣，在涉及到相互關聯的參數計算時，往往需要重復多次進行試算。而當設計方案需要進行更改時，更牽涉到大量的重復性工作，導致人力成本、時間成本增加。因此泵的CAD技術越來越受到工業界的重視。
目前，已經有多款泵設計軟件問世，比如CFturbo、PCAD、AIPump等。CFturbo具有從軸流泵到離心泵機組的整機設計能力，能夠同步建立三維模型，具有主流CAD、CAE軟件的接口。
PCAD由著名水泵設計專家關醒凡老師開發，使用方便易上手，能夠輸出AutoCAD格式的木模圖，能夠為加工提供圖紙，但對CAE軟件的支持稍顯不足。
AIPump是由南京天洑軟件公司與清華大學水力機械研究所共同研發。除了具有完備的水泵設計功能外，還特別開發了兩大特色功能。
第一個功能是針對已有葉輪的逆向功能，可以將用戶現有的葉輪資料逆向導入軟件，并進行幾何的修改調整。或是將現有的葉輪逆向成為數字化資料，方便設計檔案的管理和調用。
第二個功能是基于S2流面開發的性能預估和優化功能。能夠快速地分析并提供水泵的性能曲線，方便設計人員對初步設計的結果進行反饋調整。
同時，結合優秀的人工智能尋優算法——遺傳算法，AIPump開發了葉輪優化功能。以提升效率為目標進行尋優計算，智能實現葉輪的優化設計，達到更高的水力效率。
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