شبيه‌سازي عددي و بهينه‌سازي چند هدفي اينديوسر پمپ گريز از مركز

Numerical simulation and multi-objective optimization of the centrifugal pump inducer

اينديوسرها قطعات مهمي هستند كه براي دستيابي به عملكرد مكش بالاتر در بالادست پروانه اصلي پمپ گريز از مركز نصب مي‌‌گردند و با سرعت دوراني پروانه مي‌‌چرخند. اينديوسر با افزايش فشار ورودي به پمپ باعث بهبود عملكرد هيدروليكي و طول عمر پمپ مي‌گردد اما ميزان بهبود شديداً وابسته به پارامترهاي هندسي اينديوسر بوده و بنابراين بهينه‌سازي پارامترهاي هندسي آن اجتناب ناپذير مي‌باشد. در پژوهش حاضر با در نظر گرفتن زاويه ورودي نوك پره، زاويه خروجي نوك پره و نسبت قطر خروجي به ورودي توپي به عنوان پارامترهاي طراحي و ضريب هد، بازدهي هيدروليكي و هد مكش مثبت خالص مورد نياز به عنوان توابع هدف، به تعيين مقادير بهينه جهت دست‌يابي به ماكزيمم عملكرد اينديوسر پرداخته شده است. عملكرد اينديوسر به‌ صورت سه‌بعدي شبيه‌سازي و با نتايج تجربي مقايسه گرديده است كه تطابق مناسب نتايج، نشان دهنده صحت روش و فرضيات مورد استفاده مي‌باشد. شبكه عصبي مصنوعي براي استخراج رابطه مابين متغيرهاي طراحي و توابع هدف مورد استفاده قرار گرفته است. در ادامه با استفاده از الگوريتم اصلاح شده ژنتيك بر مبناي مرتب سازي نقاط غير برتر II نمودار پارتو در صفحه توابع هدف مختلف ترسيم شده و مقادير نقاط بهينه پيشنهادي براي متغيرهاي طراحي با استفاده از روش نزديك‌ترين نقطه به نقطه ايده‌آل بدست آمده است. با توجه به بهينه‌سازي چند هدفي مقدار ضريب هد 14.3%، بازدهي هيدروليكي 0.3% و هد مكش مثبت خالص موردنياز 30.2% بهبود پيدا كرده است. نقاط طراحي پيشنهادي حاوي نكات قابل توجهي هستند كه بدون استفاده از بهينه‌سازي چند هدفي قابل محاسبه نمي‌باشند.

Inducers are important devices which are mounted upstream of the inlet to the main impeller of the centrifugal pump to achieve higher suction performance and rotate with the same speed as the impeller. Inducers improve the hydraulic performance and lifespan of the pump through increasing the inlet pressure, but the quantity of the improvement is dependent on the geometrical parameters of the inducer. Therefore, the optimization of these parameters is crucial. In the present study, the performance of an inducer is optimized by considering the inlet tip blade angle, the outlet tip blade angle and the ratio of the outlet hub radius to inlet hub radius as design variables and the head coefficient, the hydraulic efficiency and the required net positive suction head as objective functions. The inducer performance is simulated using 3-D computational fluid dynamics and compared with experimental data which shows the validity of the used method and assumptions. The artificial neural network is used to relate between design variables and objective functions. Then, the Pareto fronts are plotted using the modified non-dominated sorting genetic algorithm II and the proposed optimum points are presented using nearest point to the ideal point method. Using multi objective optimization, the head coefficient, the hydraulic efficiency and the net positive suction head are improved 14.3%, 0.3% and 30.2%, respectively. Recommended design points unveil important optimal design principles that would not have been obtained without the use of a multi objective optimization approach.