随着具备双向抽水功能的灌溉排水泵站在沿海、沿江地区的广泛应用,兼顾正、反向水力性能的双向轴流泵需求日益增加。双向轴流泵叶轮由于翼型形状和功能特殊,因此无法直接采用单向叶轮的设计经验。本文首次建立了一种基于NACA 65翼型函数的双向轴流泵自动优化设计平台,设计了一种非对称双向叶轮轴流泵的水力模型;并通过外特性试验与压力脉动测量验证了优化设计效果。然后以非对称双向叶轮为设计原型,首次提出通过修改翼型拱角分布来快速调节双向轴流泵正、反向水力性能的设计方法;并基于非定常计算,对比分析了不同翼型拱角分布下轴流泵的内部湍流强度、熵产损失分布以及叶片水力矩特性。最后,首次通过数值模拟预测了叶根间隙半径对双向轴流泵正、反向水力性能的影响规律,为双向轴流泵叶根间隙的设计提供了参考。具体研究内容如下:1.总结归纳了轴流泵在优化设计、非定常水动力特性以及叶轮间隙流动方面的研究现状。提出一种基于多层神经网络与NACA 65翼型理论的双向轴流泵叶轮—导叶匹配优化设计方法。基于Workbench平台、Matlab代码驱动以及NACA 65翼型函数,实现了三维造型、结构网格划分以及数值模拟计算的自动优化平台。以某一单向轴流泵作为原始方案,将该轴流泵在正、反向设计流量下的水力效率与扬程作为优化目标,通过多目标遗传算法求解基于多层神经网络搭建的近似模型,获得了正、反向水力性能均能满足设计要求的非对称双向叶轮轴流泵。2.为了验证优化设计效果与水泵运行稳定性,搭建了非对称双向叶轮轴流泵外特性与压力脉动测量试验系统,分别测量了不同叶片安放角度的双向轴流泵水力性能参数和不同监测点位置(直管流道出口、导叶进口、弯管流道入口)的动态压力信号。基于功率谱函数与短时傅里叶变换对压力信号进行了时、频域分析。在叶轮入口前方管道内设计了“十”字形隔板,并重新测量了有隔板方案下的正向外特性参数。结果表明:(1)试验测量值与数值模拟值的相对误差满足要求,优化设计方案具有可靠性。(2)3个监测点的压力脉动强度及主频幅值均随扬程的增高而呈上升趋势。受叶轮—导叶动静干涉作用的影响,导叶进口处的压力脉动主频为叶频,且在高扬程及设计扬程工况下,该位置的主频幅值均为最高。(3)将有、无隔板方案的正向外特性参数对比分析后可知,进水流道隔板可以有效遏止叶轮进口预旋的生成,提高轴流泵在小流量工况下的运行稳定性。3.提出了一种快速调节双向叶轮正、反向水力性能的设计方法。以优化设计后的双向轴流泵叶轮方案(非对称双向叶轮)为原型,通过修改翼型截面上拱角的分布情况,设计了2种适用于不同工程要求的轴流泵叶轮(单向叶轮、对称双向叶轮)。对3种叶轮方案下的轴流泵进行非定常数值计算,研究了不同叶轮翼型对轴流泵内部湍流强度的影响。计算结果表明:(1)正向设计流量与正向设计效率随翼型拱角增大分别呈增大与上升趋势;但是反向设计流量与反向设计效率随翼型拱角增大分别呈减小与下降趋势。(2)在正向设计流量工况下,叶片上、下表面压差和叶轮内部低速区面积均随翼型拱角增大而减小;而叶片表面压力波动强度则随翼型拱角增大而增大。(3)在反向设计流量工况下,叶片上、下表面压差和叶轮内部低速区面积随翼型拱角增大而增大;而叶片表面压力波动强度与叶轮内部速度波动强度随翼型拱角增大而下降。4.将熵产理论应用于上述3种叶轮方案的非定常计算结果,并对内部水力损失分布进行了研究。结果表明:(1)熵产水力损失中湍动耗散占主导地位,而导叶、直管以及弯管流道内的直接耗散极小,可以忽略不计。(2)轴流泵正向运行时,叶轮内部湍动耗散高于其余水力部件,且随流量增大呈现先稳步下降后维持稳定的趋势。轴流泵反向运行时,叶轮与直管内部湍动耗散最高,且随流量增大而下降。(3)正向设计流量工况下,叶片前缘处湍动耗散率随翼型拱角增大而降低;但是反向设计流量工况下,叶片前缘处湍动耗散率随翼型拱角增大而上升。5.基于非定常数值计算,获得了上述3种叶轮翼型方案下叶片水力矩随流量的分布情况以及叶片安放角(-2°、0°、+2°)对叶片水力矩的影响规律。根据计算结果可知:(1)叶片水力矩随流量与叶片安放角增大分别呈现减小和增大趋势。(2)正向设计流量工况下,叶片水力矩在第10个叶轮旋转周期内呈现周期性波动,水力矩脉动主频为5倍轴频。水力矩脉动的周期平均值随翼型拱角增大而呈现减小趋势。(3)反向设计流量工况下,叶片水力矩在第10个叶轮旋转周期内出现不稳定波动,水力矩脉动主频为轴频。水力矩脉动的周期平均值与主频幅值随翼型拱角增大而分别呈现增大和减小趋势。6.针对双向轴流泵叶轮设计了5种不同径向半径的叶根间隙,对5种叶根间隙方案下的轴流泵进行定常数值模拟计算,研究分析了叶根间隙半径对双向轴流泵外特性及叶轮内部流场的影响规律。结果表明:在大流量工况下,轴流泵水力性能受叶根间隙半径影响最明显。当叶根间隙较大时,叶轮轮毂附近出现大量间隙泄漏流动,且与主流混掺导致间隙附近的叶片表面压力下降。在叶轮出口处,轮毂附近的轴向速度与环量均会由于间隙泄漏流动而出现速度亏损,且叶根间隙越大,速度下降幅度也越大。