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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。

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。

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。

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。

考慮到對風機葉輪進行優化設計，因此將機殼區域簡化為軸對稱的覆蓋環面，然后采用整體旋轉的計算模式。 （2）對葉輪部輪蓋、輪盤、葉片及軸盤簡化。在數值模擬過程中，需在葉輪各個部分進行初始條件，邊界條件加載，因此為方便后續過程中加載及分析方便將輪盤及葉片進行合理建模。 （3）葉輪出口處建立壓力測量環面（Measure）。

圖13為改進前后的A型風機的風量—功率曲線以及風量—效率曲線，從圖中看出，風機的葉輪結構優化設計后，功率明顯降低，效率提高，達到了優化設計的目的，效率的提高也改善了風機的噪聲特性。從圖14也可看出，改進后的A型風機噪聲特性明顯改善，設計工況點的A聲級降低了達4.0dB，很好地保證了噪聲指標的穩定性，實現了設計目標。

將優化模型與基礎模型的仿真結果進行對比可以發現，優化后模型葉輪表面的最大剪切應力為455Pa，基礎模型葉輪表面的最大剪切應力約為584.7Pa，優化后葉輪表面的最大剪切應力降低了22%。此外，優化后的葉輪揚程約為114.6mmHg，基礎模型葉輪的揚程約為119.1mmHg，兩者揚程均能滿足人工心臟泵的使用要求，且優化后的葉輪揚程更接近100mmHg，更符合設計的需求。

周期性顯示后處理 當完成所有的求解工作后，通過Fluent的后處理功能可以進一步對完整流場進行顯示，如下圖所示，在View中對周期顯示區域進行設置，最終將可視化結果還原為整個葉輪，使結果顯示更加直觀清晰。 如何正確的應用Fluent進行葉輪機械的CFD性能評估，并通過設計優化方法完成葉輪機械流體性能的提高。

計算流體動力學（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內任何點的流速的形式量化性能，以確定可以優化效率的區域。 圖1：離心泵設計的CFD分析 有許多設計方面會影響泵的效率，例如泵殼體，葉輪蓋板、葉輪葉片數量或葉片角度等。以葉輪為例，可以改變其尺寸，例如增加直徑，但這會增加其質量，從而導致更大的能量損失。

對于葉輪機械而言，流體性能的好壞至關重要，傳統的葉輪機械設計是以實驗為基礎的設計，設計周期長，同時費用高，而通過應用CFD技術，則可以大大降低設計周期和成本，并能夠準確給出設備的整體流動性能和局部流動細節，預知可能的問題并提前進行優化。

一些研究人員試圖弄清楚離心泵內部的流場，以優化離心渦輪機械的設計。例如，Asuaje等人（2005年），Majidi（2005年），Huang和Wu（2006年）和Zhang等人（1994年）研究了離心泵中的流場，并使用CFD方法進行了參數研究。 蓋板切割的另一個重要影響是徑向力的變化，徑向力是軸承和軸上載荷的主要來源之一，其次是導致振動的軸偏移。

Fine Design3D 是一個多學科葉輪機械穩健設計優化工具，其獨特的 CAE 環境優化軟件融入了嵌入式設計系統、最先進的優化算法、敏感性分析、不確定性分析、多學科優化和穩健的設計優化能力。

基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路，在ANSYS Workbench平臺上可實現葉輪機械參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能，其中一款專業分析軟件——OptiSLang是一款多學科優化、隨機分析、穩健與可靠性優化設計軟件，在真正意義上地進行葉輪機械的快速優化，幫助工程師更高效便捷地進行產品研發設計。

我們發現，在優化風扇性能時，蝸殼是主要的限制因素。因此，我們著手隔離部件，單獨優化葉輪，并設計一種新的蝸殼，以最大限度地減少在優化樣品中觀察到的壓降。圖 3：蝸殼重新設計前后在一個工作點的速度云圖比較優化 #2：葉輪然后我專注于與蝸殼分離的葉輪、ZR 效應和實心壁。

4 結束語 本文運用CFD數值模擬分析技術對空調HVAC在開發設計階段遇到的進風風量降低、葉輪氣動噪聲、蝸殼氣流噪聲3個問題展開仿真模型分析，通過分析問題原因進行了數據優化及試驗驗證，仿真對比結果及試驗測試結果表明，3個問題的優化方案有效，可為后續HVAC氣動噪聲優化、結構設計定型提供參考。

基于Ansys Workbench集成操作平臺，用戶可在該平臺搭建整個雙向流固耦合分析的流程模板并同時進行參數優化和產品設計優化，具有無可比擬的易用性，相關數據可以在各個模塊間自動傳遞，大大減少了工程師的工作量，工作流程可以保存為固定模板，方便缺乏經驗的工程師快速掌握分析流程。

采用元模型和貝葉斯推斷等技術方法進行葉輪設計優化，其中，元模型基于拉丁超立方抽樣法（LHS）數據庫，通過高斯過程回歸（GPR）構建。研究工作最終改善了高流速工況下的空化問題，優化方案在設計點處揚程提高了25%，在操作范圍的其他工況點處提升更高。