水泵是现代工业中最为基础的一种设施，广泛运用于社会的各行各业之间，例如农业灌溉，水利工程，循环冷却等方面。其主要功能是通过叶轮的转动将水运送到需要的各个地方，但是由于工作环境的不同，设施设计制作上存在的问题，会导致水泵水轮机的运用过程中还存在性能缺陷：工作效率低下，产生噪音污染，叶片变形等问题。本文以径向式导叶多级泵为研宄对象，通过理论分析、内部流动数值模拟和试验研宄三者相结合的方法，通过分析不同流量下径向式导叶多级泵内定常流动与非定常流动机理，揭示栗内不稳定流动现象的流动结构、产生机理与流动规律，进一步基于熵产理论研宄不同流量下泵内熵产值与流动损失大小，旨在确立泵内流场流动特性参数，为构建径向式导叶多级泵水力性能优化设计方法奠定理论基础；通过搭建径向式导叶多级栗水力性能试验平台和非定常压力脉动试验系统，验证定常与非定常数值模拟求解策略与计算方法的正确性与科学性；通过构建基于遗传算法与神经网络的径向式导叶多级泵水力性能优化模型，探索过流部件关键几何参数的最优组合方式，提高径向式导叶多级泵的水力性能，同时为同类型或相似产品的优化设计提供解决方案^[1]。因此。本课题的研究目的在于

      ①流程优化

由于我们日常生活中一些长距离、大流量运输的需求，水泵流程的优化设计在所难免，而多级水泵的存在正是为了满足流程优化的要求而存在的，如何利用有限的能源实现尽可能多级的水泵正是我们的研究方向。而在现实生活中，弯管等设计是不可避免的，但如何合理的设置弯管、阀门的数量也是需要经过计算的，过量的弯管、阀门不仅会增加水泵运输的摩擦损耗，也会导致液体在管道内部发生旋流、返流等问题。

      ②水轮机设计优化

叶轮作为水泵的核心部件，叶轮的设计很大程度上会影响水泵的工作效率，我们需要根据具体工作环境的流量、压力来设计叶轮叶片的宽度高度和形状、水轮机入口形状、管口直径。叶轮之间各叶片的距离和各个水轮机之间的拼合也需要精密的计算来得到最合适的设计。

      ③损耗优化

根据全国流体机械及工程国际学术会议报告显示，我国每年泵的耗电量约占全国发电量的20％^[2]，因此选用高效能的电机以及减速器成为减少水泵能耗的关键所在。设计合适的流量能够让水泵处于最佳的工作状态，既可以减少能源损耗，也可以减少水泵的工作损耗。

      ④提升组员之间的合作水平，创新创业能力以及实事求是、严谨的科研态度

水泵水轮机是由水轮机和水泵两个组合而成的设备。水轮机是将水的动能转换为机械能的设备，可用于发电或提供动力。水泵则是将机械能转化为水的动能，将水从低处输送到高处。水泵水轮机的性能参数包括流量、扬程、效率等。流量是指单位时间内通过水泵水轮机的水量，扬程则是从低处输送到至高处时，在水泵水轮机内产生的流动压力差，效率是将水的能量转化为机械能的比例^[3]。而径向流即混流式，水流沿径向进入转轮，然后基本上沿轴向自转轮流出的水泵水轮机。

    ①研究如何使单级径向流水泵水轮机拼合，在不影响单级水泵水轮机性能的情况下形成多级工作，提高总工作功率。

    ②研究如何提高多级径向流水泵水轮机的的流量。

    ③研究如何在输出功率不变的情况下提升扬程。

    国内外水轮机已处于多品种、大容量时代，行业发展方向是优质、联台、高科技；技术发展方向是改善水利性能，提高运行可靠性，降低制造成本，重视老电站改造和环境友好。国内目前水轮机技术发展，以三峡700MW水轮机的设计生产为契机，消化吸收了国际先进技术，开发出了许多种类的新式水轮机，如：大容量混流式、灌流式、可逆和水泵水轮机，使国产设备的制造能力和产品质量，性能，可靠性各方面满足了国内外水电市场的需要。我国水能资源得天独厚，水能资源藏量为6.76亿KW，其中可开发部分为3.78亿kw^[4]，为世界之首。目前以三峡工程为首，二滩、李家峡、小浪底、万家寨、天生桥、大潮山、宝珠寺等一大批电站正在建设，据不完全统计，在建项目总容量超过了36000MW^[5]。水轮机用于水力发电已有100多年历史，随着水电资源的开发，推动了水轮机技术发展，从而使水轮机进入一个多品种大容量时代。水轮机因地制宜，最小12m，最大1000~2000m^[6]，都有相应品种，大体可分为冲击式，混流式，斜流式，轴流式，灌流式，水轮机六大类，以及相应可逆式水泵水轮机。自60年代世界上第一台500Mw换流式水轮机在前苏联克拉斯诺亚尔斯克电站投入运行以来，全世界掀起一股提高水轮机比转速，增大水能机单机容量的风潮，迄今容量超过500Mw，进入大容量时代。目前为止，世界上已有七座水电站62台机组单机冲击式水轮机。我国水轮机除轴流式水轮机之外，其他各类水轮机均与国际水平有较大差距。国外水轮机制造业目前也处于不景气状态，先进的发达国家如日本，法国，挪威等国内水电资源已开发80%^[7]以上，产品基本依赖出口^[5]；发展中国家由于资金短缺，近十年几乎没有什么大型工程项目实施，国外水轮机制造面临市场危机。

参考文献：

[1]王延锋. 径向式导叶多级泵内部流动机理及水力性能优化研究[D].中国矿业大学(北京),2021.DOI:10.27624/d.cnki.gzkbu.2020.000004.

[2]袁寿其,刘厚林.泵类流体机械研究进展与展望[J].排灌机械,2007(06):46-51.

[3]张宝勇,何中伟,李成军.水泵水轮机主要参数选择对机组运行稳定性的影响分析[J].水电与抽水蓄能,2024,10(01):1-6.

[4]张佳媛.水电站运行管理中的水能资源优化配置与调度策略[J].Engineering Technology and Quality Management,2023,1(2):

[5]郑建兴,刘平,梁权伟,等.黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾[J].水电与抽水蓄能,2023,9(02):87-98.

刘聪.水平轴潮流能水轮机后掠对称翼型叶片设计及水动力性能研究[D].东北师范大学,2022.DOI:10.27011/d.cnki.gdbsu.2022.001442.

[6]王 靖.水电站水轮机安装施工技术研究[J].工程技术创新与发展,2024,2(4):

[7]刘茜,王岳.水安全保障与水资源利用策略探究[J].水上安全,2024,(01):22-24.

 1.创新点

①优化叶轮前面的轮廓可以有效制止叶片前面的压力峰值与减低对部分负荷下运行的敏感程度；叶轮叶片向泵入口边适当延伸，就等于增加一个小的诱导轮；叶轮设计时增加叶轮叶片宽度会减小其扬程，增加较高效率值，高效区随叶片宽度增加而向流量小的地方偏移，叶片数为五到七片可以在保证增加扬程，改善液体流动的同时，使其叶片的摩擦损失不会太大，此外，采取扭曲叶片比圆弧叶片的水泵更具有高效率。

②通过fluent流体力学分析软件和ANSYS等现代电脑计算分析技术给定叶轮入口设计优化条件，进而更好的控制与了解叶轮流道中流量和压力分布情况。

2.  项目特色

   根据多级径向流水泵水轮机内不同流量下的定常流动与非定常流动机理及其流动现象、流动结构和流动规律，探究出一种性能更优的多级径向水泵水轮机，并在理论上分析其可通过的流量大小和扬程及效率高低。

   使用各类仿真软件对水轮机的叶片宽度、高度和叶片形状，叶轮入口形状，管径大小进行模拟和分析，找到一种效率最高的设计方案

技术路线：

拟解决的问题：

①径向式导叶多级泵的可视化试验存在成本高、周期长，且试验很难准确地提供泵内各级过流部件的流场流动信息等问题，因此我们需要寻找方法解决

②不同叶片形状对于叶轮工作效率以及它所需的能源损耗及其自身损耗之间的关系，找到最适合的叶片形状还有入口管径的大小

预期结果

①通过数值模拟技术研究径向式导叶多级泵内部流场流动规律。建立ＭＤ500－５7Ｘ3型径向式导叶多级泵的流体域三维模型，通过网格划分与网格无关性检验，确定了径向式导叶多级泵定常计算与非定常计算的数值模拟求解策略

②能够熟练运用fluent流体力学分析软件和ANSYS等现代电脑计算分析技术

③找到一种提高多级径向水泵水轮机效率的设计方法，使其设计更加合理

在创新创训项目过程中始终坚持查阅文献资料，以及相关技术的学习， 不断深化及加强对多级径向流水泵水轮机性能优化的相关课题的了解，对研究课题的认识逐渐加深，紧跟前沿学科动向，将所学知识逐渐熟练地运用于课题研究。

    经常性的于微信群聊，线下召开项目研究的会议，发表各自见解想法，归纳总结实验过程中出现的问题以及解决方法，并寻求提前发现可能潜在的问题并提前解决。

    项目指导老师在项目研究过程中给予一定的相关专业知识，帮忙小组实时了解研究方向，小组成员定期与老师取得联系沟通交流，对项目进度进行汇报，便于老师进行知道改正。

 ①文献阅读    2024年3月——2024年4月（已完成）

    利用网络资源（中国知网，维普中文科技期刊库，SCI等检索资源）阅读有关多级径向流水泵水轮机性能优化的文献资料，了解相关研究流程，为研究做好理论准备。

    ②前期准备    2024年4月——2024年6月（正在进行）

    进行研究所需理论知识及软件的学习与训练，并与小组成员讨论，提出相应的实验方案。

    ③数字建模实验、算法设计及数据分析    2024年6月——2024年12月

    基于前期文献查阅以及理论学习，使用SolidWorks、Aqwa、Matlab等软件对所研究的多级径向流水泵水轮机性能优化进行数字建模，分析水流运动以及元件运动状态，设计优化方案，分析改进方案。

    ④物理模型制作与场地实验     2024年12月——2025年3月

    基于前期数字模型的设计与优化，通过3D打印等方式制作多级径向流水泵水轮机模型用于后续实验，并对于模型制作中的困难做出相应调整。将模型进行模拟实际工作状态进行实验，观察其稳定性及工作效率，并与其他已有工作元件进行比对，分析优缺点并且进行二次改进。

   ⑤论文撰写     2025年3月——2025年6月

    对于实验数据进行分析总结，寻找出其要点与重点，对最后的实验结果进行阐述与分析，将完成的论文以及模型交由指导老师审核，编写最后项目成果报告书，进行结题报告。