一种基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法与流程

本发明涉及离心泵领域，特别涉及一种基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法。
背景技术：
：水泵广泛用于工农业生产和人们生活的各个场合，用于流体输送与增压，其运行消耗了大量的能耗。其中，离心泵是应用量最大、耗能最多的水泵门类，故关于离心泵效率的提升是设计和制造厂商最为关注的问题。由于现场不同运行工况下对离心泵的流量和扬程等技术参数各不相同，故为了尽可能地提高离心泵能效，设计人员经常需要进行离心泵的定制化设计：即以某个现有的离心泵设计方案为蓝本，在此基础上进行修改优化，在满足现场运行工况的同时实现效率的最大化。随着计算机技术的快速发展，人们越来越多地利用计算机仿真的手段进行离心泵的优化设计，以减少实物样机制作和实验测试的成本，节约人力物力并加快产品开发速度。这其中最具代表性的是利用计算流体力学软件开展计算机仿真来预测不同流量工况下离心泵的效率值，进而完成离心泵的优化设计。然而，由于各方面因素的影响，计算机仿真结果往往与真实的实验测试结果存在一定的差异，如何对计算机仿真结果进行修正，以使之更为接近真实情况，是离心泵效率优化设计领域十分重要的课题。目前公知的技术方案中，虽然大量应用计算机仿真手段进行离心泵不同流量工况下效率值的预测，也有相关文献报道对离心泵效率值的计算机仿真值和实验测试值进行对比分析，但对于如何根据实验测试值对计算机仿真结果进行修正，则缺乏系统深入的研究。故当前亟待发展离心泵效率仿真结果的修正方法，以更为精确地预测不同工况下离心泵的效率值，从而提高离心泵计算机仿真技术的可靠性和实用性。因此，在现有的离心泵计算机仿真技术的基础上，针对离心泵计算机仿真获得的效率值，如何通过有限的真实实验测试数据，构建系统的、通用的修正方法，基于计算机仿真和修真方法实现各种离心泵设计方案下更为精确的离心泵效率值预测，是一个亟待解决的技术问题。技术实现要素：为了解决上述技术问题，本发明提供一种客观科学、操作方便的基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法。本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，包括以下步骤：步骤1、根据离心泵原泵设计方案，确定考察的最小流量值qmin和最大流量值qmax，分别对原泵设计方案进行实验测试和计算机仿真，获得考察流量范围内不少于5个不同流量点对应的离心泵原泵效率实验测试值和计算机仿真值；步骤2、针对离心泵原泵不同流量点对应的效率实验测试值和计算机仿真值，基于最小二乘法分别进行一元二次函数拟合，并分别获得离心泵原泵流量-效率实验测试值函数关系式t(q)＝atq2+btq+ct和离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn，以上两式中q为离心泵流量值，t(q)为流量为q时的离心泵原泵效率实验测试值，at、bt、和ct分别为拟合得到的离心泵原泵流量-效率实验测试值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项，n(q)为流量为q时的离心泵原泵效率仿真计算值，an、bn、和cn分别为拟合得到的离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项；步骤3、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行一次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一次修正函数关系式ni(q)＝an(q+δql)2+bn(q+δql)+cn，式中δql为函数向左平移量，步骤4、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行二次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值二次修正函数关系式nii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn，式中h为函数拉伸系数，步骤5、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行三次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值三次修正函数关系式niii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn+δnu，式中δnu为函数向上平移量，步骤6、在离心泵原泵设计方案基础上修改得到离心泵新泵设计方案，对离心泵新泵设计方案进行计算机仿真，根据仿真结果拟合得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值函数关系式m(q)＝amq2+bmq+cm，式中q为离心泵流量值，m(q)为流量为q时的离心泵新泵效率仿真计算值，am、bm、和cm分别为拟合得到的离心泵新泵流量-效率计算机仿真值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项；步骤7、在离心泵新泵流量-效率计算机仿真值函数关系式m(q)＝amq2+bmq+cm基础上进行修正，得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值修正函数关系式mx(q)＝ham(q+δql)+hbm(q+δql)+hcm+δnu，即为预测得到的离心泵新泵的流量-效率曲线所对应的函数关系式，式中δql为步骤3所确定的函数向左平移量，h为步骤4所确定的函数拉伸系数，δnu为步骤5所确定的函数向上平移量。上述基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，所述步骤1或步骤7中离心泵原泵或新泵设计方案，包括但不限于离心泵的几何形状和尺寸、额定转速、叶轮旋转方向、运行流量范围等信息。上述基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，所述步骤1中离心泵原泵效率实验测试值的获取包括如下步骤：步骤s1：根据离心泵原泵设计方案，加工制作离心泵实物，并将离心泵实物安装至离心泵水力性能测试台；步骤s2：在离心泵水力性能测试台上，调节离心泵出口管道阀门设置离心泵运行流量为其考察的最小流量值qmin，记录该流量值下离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程测量值，并由测量得到的离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤s3：增大离心泵出口管道阀门开度，适当增大离心泵运行流量值，记录该流量值下离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程测量值，并由测量得到的离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤s4：重复步骤s3至少3次，直至获得考察的最大流量值qmax所对应的离心泵的效率值。上述基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，所述步骤1中离心泵原泵效率计算机仿真值的获取包括如下步骤：步骤o1：根据离心泵原泵设计方案，绘制离心泵水体部分三维几何图，并划分数值仿真用网格；步骤o2：将离心泵数值仿真用网格导入计算流体力学软件，设置通过离心泵的流量为其考察的最小流量值qmin，添加离心泵额定转速和叶轮旋转方向等必要信息，采用有限体积法进行迭代计算，基于计算结果获得该通过流量下的离心泵的主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤o3：调整计算流体力学软件设置，适当增大通过离心泵的流量值，添加离心泵额定转速和叶轮旋转方向等必要信息，采用有限体积法进行迭代计算，基于计算结果获得该通过流量下的离心泵的主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤o4：重复步骤o3至少3次，直至获得考察的最大流量值qmax所对应的离心泵的效率值。本发明的有益效果在于：1、本发明针对计算机仿真与实验测试这两种途径得到的离心泵效率值存在偏差这一事实，通过各种拟合曲线的换算进行多次修正，建立起离心泵仿真结果的修正方法，以便更为精确地预测各种新的设计方案下离心泵效率值随流量的变化情况，这种方法客观科学，通用性强。2、本发明基于最小二乘法对计算机仿真与实验测试这两种途径得到的离心泵效率值进行拟合，分别获得各自的流量-效率拟合一元二次函数式，并在此基础上进一步获得曲线形状和位置的修正量，整个过程步骤清晰，逻辑严密，操作方便。3、本发明提供的基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，只需要在起始阶段进行一次离心泵实物样机的制作和有限次的测试，消耗成本低，数据处理量小，修正过程易于编程实现，可以根据修正系数进行多个不同新的设计方案的离心泵的效率计算机仿真值的预测修正。附图说明图1为本发明的流程图。图2为本发明实施例中的离心泵原泵的拟合函数曲线图，曲线101为流量-效率实验测试值拟合函数曲线，曲线102为流量-效率实验测试值拟合函数曲线。图3为本发明实施例中的离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值修正函数的曲线图，曲线103为离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值一次修正函数的曲线，曲线104为离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值二次修正函数的曲线，曲线105为离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值三次修正函数的曲线。图4为本发明实施例中离心泵新泵的流量-效率函数曲线的对比图，曲线201为离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值函数曲线，曲线202为离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值修正函数曲线，曲线203为离心泵新泵的流量-效率实验测试值函数曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，一种基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，包括以下步骤：步骤1、根据离心泵原泵设计方案，确定考察的最小流量值qmin和最大流量值qmax，分别对原泵设计方案进行实验测试和计算机仿真，获得考察流量范围内不少于5个不同流量点对应的离心泵原泵效率实验测试值和计算机仿真值。其中离心泵原泵设计方案，包括但不限于离心泵的几何形状和尺寸、额定转速、叶轮旋转方向、运行流量范围等信息。所述离心泵原泵效率实验测试值的获取包括如下步骤：步骤s1：根据离心泵原泵设计方案，加工制作离心泵实物，并将离心泵实物安装至离心泵水力性能测试台；步骤s2：在离心泵水力性能测试台上，调节离心泵出口管道阀门设置离心泵运行流量为其考察的最小流量值qmin，记录该流量值下离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程测量值，并由测量得到的离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤s3：增大离心泵出口管道阀门开度，适当增大离心泵运行流量值，记录该流量值下离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程测量值，并由测量得到的离心泵的运行流量、转速、主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤s4：重复步骤s3至少3次，直至获得考察的最大流量值qmax所对应的离心泵的效率值。所述离心泵原泵效率计算机仿真值的获取包括如下步骤：步骤o1：根据离心泵原泵设计方案，绘制离心泵水体部分三维几何图，并划分数值仿真用网格；步骤o2：将离心泵数值仿真用网格导入计算流体力学软件，设置通过离心泵的流量为其考察的最小流量值qmin，添加离心泵额定转速和叶轮旋转方向等必要信息，采用有限体积法进行迭代计算，基于计算结果获得该通过流量下的离心泵的主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤o3：调整计算流体力学软件设置，适当增大通过离心泵的流量值，添加离心泵额定转速和叶轮旋转方向等必要信息，采用有限体积法进行迭代计算，基于计算结果获得该通过流量下的离心泵的主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值；步骤o4：重复步骤o3至少3次，直至获得考察的最大流量值qmax所对应的离心泵的效率值。步骤2、针对离心泵原泵不同流量点对应的效率实验测试值和计算机仿真值，基于最小二乘法分别进行一元二次函数拟合，并分别获得离心泵原泵流量-效率实验测试值函数关系式t(q)＝atq2+btq+ct和离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn，以上两式中q为离心泵流量值，t(q)为流量为q时的离心泵原泵效率实验测试值，at、bt、和ct分别为拟合得到的离心泵原泵流量-效率实验测试值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项，n(q)为流量为q时的离心泵原泵效率仿真计算值，an、bn、和cn分别为拟合得到的离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项。步骤3、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行一次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一次修正函数关系式ni(q)＝an(q+δql)2+bn(q+δql)+cn，式中δql为函数向左平移量，步骤4、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行二次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值二次修正函数关系式nii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn，式中h为函数拉伸系数，步骤5、对离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式n(q)＝anq2+bnq+cn进行三次修正，获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值三次修正函数关系式niii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn+δnu，式中δnu为函数向上平移量，步骤6、在离心泵原泵设计方案基础上修改得到离心泵新泵设计方案，对离心泵新泵设计方案进行计算机仿真，根据仿真结果拟合得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值函数关系式m(q)＝amq2+bmq+cm，式中q为离心泵流量值，m(q)为流量为q时的离心泵新泵效率仿真计算值，am、bm、和cm分别为拟合得到的离心泵新泵流量-效率计算机仿真值一元二次函数关系式的二次项系数、一次项系数和常数项；其中离心泵新泵设计方案，包括但不限于离心泵的几何形状和尺寸、额定转速、叶轮旋转方向、运行流量范围等信息。步骤7、在离心泵新泵流量-效率计算机仿真值函数关系式m(q)＝amq2+bmq+cm基础上进行修正，得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值修正函数关系式mx(q)＝ham(q+δql)+hbm(q+δql)+hcm+δnu，即为预测得到的离心泵新泵的流量-效率曲线所对应的函数关系式，式中δql为步骤3所确定的函数向左平移量，h为步骤4所确定的函数拉伸系数，δnu为步骤5所确定的函数向上平移量。实施例某离心泵，原泵设计方案为：进口直径0.35m，出口直径0.35m，额定转速1480r/min，叶轮旋转方向为逆时针方向，额定流量1200m3/h，运行流量范围为700～1700m3/h，亦即考察的最小流量值qmin＝700m3/h、最大流量值qmax＝1700m3/h。根据该离心泵原泵设计方案，加工制作离心泵实物，并通过水力性能测试台测试，获得的不同流量工况下的效率值见表1。表1离心泵原泵设计方案不同流量工况下的效率实验测试值流量(m3/h)700972126014761700效率值0.5580.710.810.7820.71根据离心泵原泵设计方案，绘制离心泵水体部分三维几何图，并划分数值仿真用网格，导入计算流体力学软件fluent，设置边界条件如下：进口为流量值，出口静压力为0，叶轮区域旋转速度1480r/min，叶轮旋转方向为逆时针方向，采用有限体积法进行迭代计算，基于计算结果获得该通过流量下的离心泵的主轴扭矩和扬程值，由此计算该运行流量点下离心泵的效率值。计算机仿真得到的原泵不同流量工况下的效率值见表2。表2离心泵原泵设计方案不同流量工况下的效率计算机仿真值流量(m3/h)700972126014761700效率值0.5640.7030.760.7510.687基于最小二乘法分别对表1和表2中的数据进行拟合，得到离心泵原泵流量-效率实验测试值函数关系式为t(q)＝atq2+btq+ct＝-6.33e-7q2+1.68e-3q-3.10e-1，即拟合得到的离心泵原泵流量-效率实验测试值一元二次函数关系式的二次项系数at＝-6.33e-7、一次项系数bt＝1.68e-3、常数项ct＝-3.10e-1；得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式为n(q)＝anq2+bnq+cn＝-5.22e-7q2+1.38e-3q-1.43e-1，即拟合得到的离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一元二次函数关系式的二次项系数an＝-5.22e-7、一次项系数bn＝1.38e-3、常数项cn＝-1.43e-1。因此，计算得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式一次修正所需的函数向左平移量为：由此得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值一次修正函数关系式为：ni(q)＝an(q+δql)2+bn(q+δql)+cn＝-5.22e-7(q-5.2)2+1.38e-3(q-5.2)-1.43e-1计算得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式二次修正所需的函数拉伸系数为：由此得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值二次修正函数关系式为：nii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn＝-6.32e-7(q-5.2)2+1.67e-3(q-5.2)-1.72e-1计算得到离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式三次修正所需的函数向上平移量为：最终获得离心泵原泵流量-效率计算机仿真值三次修正函数关系式为：niii(q)＝han(q+δql)2+hbn(q+δql)+hcn+δnu＝-6.32e-7(q-5.2)2+1.67e-3(q-5.2)-0.298＝-6.32e-7q2+1.68e-3q-3.10e-1可见经过最初的离心泵原泵流量-效率计算机仿真值函数关系式经过三次修正后得到的离心泵原泵流量-效率计算机仿真值三次修正函数关系式，与离心泵原泵流量-效率实验测试值一元二次函数关系式已经基本一致。为了更方便观察以上各函数关系式的情况，在考察的流量范围700～1700m3/h内，对函数绘图予以展示，分别见图2和图3。图2为该离心泵原泵的拟合函数曲线图，曲线101为流量-效率实验测试值拟合函数曲线，曲线102为流量-效率实验测试值拟合函数曲线。图3为该离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值修正函数的曲线图，曲线103为该离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值一次修正函数的曲线，曲线104为该离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值二次修正函数的曲线，曲线105为该离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值三次修正函数的曲线。从图2中可以看出，该离心泵原泵的流量-效率实验测试值拟合函数曲线101和流量-效率实验测试值拟合函数曲线102存在较大的差异；而由图2和图3比较可以发现，经过三次修正后，图3中的该离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值三次修正函数的曲线105与图2中的该离心泵原泵流量-效率实验测试值拟合函数曲线101几乎重合。下面，利用获得函数向左平移量δql、函数拉伸系数h和函数向上平移量δnu对新泵设计方案进行效率值的预测。在离心泵原泵设计方案的基础上，小幅度地修改其三维几何图，得到离心泵新泵设计方案，对离心泵新泵设计方案进行计算机仿真，获得其不同流量工况下的效率计算机仿真值见表3。表3离心泵新泵设计方案不同流量工况下的效率计算机仿真值流量(m3/h)700972126014761700效率值0.5810.7250.7870.7740.705根据表3中的仿真结果拟合得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值函数关系式m(q)＝amq2+bmq+cm＝-5.55e-7q2+1.46e-3q-0.167。因此，代入离心泵原泵相关数据分析过程中获得的函数向左平移量δql＝-5.2，函数拉伸系数h＝1.21，函数向上平移量δnu＝-0.126，得到离心泵新泵流量-效率计算机仿真值修正函数关系式为：mx(q)＝ham(q+δql)+hbm(q+δql)+hcm+δnu＝-5.55e-7*1.21(q-5.2)2+1.46e-3*1.21(q-5.2)-0.167*1.21-0.126＝-6.27e-7q2+1.78e-3q-0.337为了验证本发明提供的离心泵效率值预测方法的可靠性，根据该离心泵新泵设计方案，加工制作离心泵新泵实物，并通过水力性能测试台测试，获得的不同流量工况下的效率实验测试值见表4。表4离心泵新泵设计方案不同流量工况下的效率实验测试值流量(m3/h)700972126014761700效率值0.5830.7430.8280.8130.735由表4中数据，拟合得到离心泵新泵流量-效率计算机实验测试值函数关系式为p(q)＝-6.43e-7q2+1.68e-3q-0.283。为了更方便观察以上离心泵新泵相关函数关系式的情况，在考察的流量范围700～1700m3/h内，对离心泵新泵相关函数绘图予以展示，如图4所示。图4为本发明实施例中离心泵新泵的流量-效率函数曲线的对比图，曲线201为离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值函数曲线，曲线202为离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值修正函数曲线，曲线203为离心泵新泵的流量-效率实验测试值函数曲线。图4中容易发现，使用本发明提供的离心泵效率值修正方法，将离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值函数曲线201修正为离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值修正函数曲线202后，其预测精度得到了显著提升，十分接近离心泵新泵的流量-效率实验测试值函数曲线203。本实施例提供的基于仿真结果修正的离心泵效率值预测方法，针对计算机仿真与实验测试这两种途径得到的离心泵效率值存在偏差这一事实，以离心泵原泵的效率计算机仿真结果和实验测试结果为基础，通过多次拟合曲线的换算获得三个修正参数，使离心泵原泵的流量-效率计算机仿真值修正函数曲线与其实验测试值基本一致，然后再利用相关的修正系数对离心泵新泵的流量-效率计算机仿真值函数曲线进行修正，最终较好地预测得到了离心泵新泵不同流量工况下的效率值，这种方法客观科学，适用面广，逻辑严密，操作方便，且易于编程实现，当离心泵新泵的设计方案与原泵相差不是太大时，能够取得较好的效率计算机仿真值修正效果。当前第1页12