科学出版社|细说叶片泵：先进优化理论与技术叶片泵作为一种输送液体的流体机械

叶片泵作为一种输送液体的流体机械，不仅广泛应用于石油、化工、水利、灌溉等工业和农业领域，而且是核电、航空航天、舰船和潜艇等高技术领域的关键设备，可以说凡是有液体流动的地方，就有泵在工作。泵消耗的能量十分可观，约占全国用电总量的17% ，《中华人民共和国节约能源法》《节能减排“十二五”规划》等国家政策法规都将泵列为节能重点，其节能潜力巨大。因此，在全球能源危机的大背景下，进一步提高叶片泵的运行效率、降低系统能耗是当今社会发展的必然要求。

文章图片
大型离心泵在高扬程泵站的应用场景水力优化设计是提升叶片泵性能的最根本途径，是泵设计制造和技术研发过程中需要考虑的一个核心问题，相关的先进理论与技术已成为流体机械高端装备制造及工程应用领域的研究热点。随着我国社会经济和科学技术的发展，相关行业对叶片泵的性能都提出了越来越高的要求，已从仅考虑单个设计工况点、单个性能指标的设计向同时满足多个设计工况点、多种不同性能指标的方向发展，同时要考虑不同部件之间的水力配合关系，设计难度显著增加，仅依靠半经验半理论的水力设计方法已较难满足要求，因此需要进一步对水力优化的理论和技术进行探索。
下表总结了泵性能提高所采用的不同优化方法的优点和缺点。从表中可以看出，泵的优化方法经历了从简单到复杂、从考虑单因素到考虑多因素、从离散点因素到连续因素的发展过程，目前已经发展到设计因素随算法迭代更新优化的新阶段。
泵不同优化方法的优缺点对比优化方法优点缺点单一变量基于设计经验快速提高性能，易修改参数无法获得最优解优化理论公式直观建立半经验半理论性能公式优化结果依赖经验系数的准确性单一试验设计方法优化周期短，分析参数影响程度顺序及参数之间相关性，易获得最优方案匹配优化结果取决于参数界限，无法找到最优解，设计参数个数受设计标准表的限制试验设计与近似模型的结合优化周期短，建立性能与参数之间高精度的近似数学函数表达式，易获得最优方案匹配近似模型与真实性能有误差，无法找到最优，设计参数个数受限制，数学模型变为更加复杂智能优化算法以性能为优化目标，直接优化参数，找到最优，优化参数数量多理论上可以找到最优，优化周期长，计算资源消耗大《叶片泵先进优化理论与技术》一书是关于叶片泵水力优化理论与技术的专著。本书作者在国家杰出青年科学基金（50825902）、国家重点研发计划（2018YFB0606103）、国家科技支撑计划（2011BAF14B04、2014BAB08B01）、国家自然科学基金（51879121、51409123、51779107）等国家级课题资助下对叶片泵先进优化理论与技术进行了长期、系统、深入的研究及推广应用，针对叶片泵水力性能优化中所面临的诸多强非线性、多参数、多目标等复杂数学问题和技术瓶颈，从收敛速度、优化精度、寻优能力等方面对包括试验设计、近似模型及智能优化算法等在内的先进优化方法进行了研究，实现了对水泵优化问题的快速、高精度、全局寻优求解，取得了突破性进展，研究成果促进了高端泵装备制造行业基础理论及技术水平的提高，并成功实现了工程应用，对进一步提升水泵运行性能、扩宽高效运行范围具有重要的科学意义和工程应用价值。
全书共分10章，第1章介绍叶片泵设计与优化方法的国内外研究现状及发展趋势；第2章阐述全因子法、中心复合法、正交试验及拉丁方方法等试验设计的理论；第3章阐述响应面法、人工神经网络、Kriging模型和混合近似模型等的理论与实现；第4章论述梯度算法、遗传算法、粒子群算法、蝙蝠算法等智能优化算法的基本理论，并针对单目标和多目标优化的粒子群算法提出改进策略，获得改进的粒子群智能优化方法，并进行函数集验证分析；第5章论述叶片泵数值计算理论和自动优化的实现方法，对全自动优化设计平台的搭建和技术实现进行详细研究与阐述；第6章介绍管道离心泵多目标多参数优化技术的应用实例；第7章介绍双吸离心泵近似模型优化技术的应用实例；第8章介绍带导叶离心泵优化技术的应用实例；第9章介绍轴流泵近似模型优化技术的应用实例；第10章介绍混流泵正交试验优化技术的应用实例，书后还给出人工神经网络等五个MATLAB代码实例。本书具有较高的理论和工程实用价值，相关优化技术对能源系统、机械工程等其他领域仍具有参考价值。