《Fluids》：Multi-Objective Optimization and Entropy Production Analysis of Solid–Liquid Two-Phase Flow in Centrifugal Pumps Based on Fluent—Event-Driven Execution Manager Coupling Method
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研究人员利用Workbench工作流调整叶片进口和出口角，旨在减少离心泵叶轮和蜗壳的磨损，并优化泵的效率和扬程。通过改变进口和出口角进行正交实验。结合支持向量机（SVM）和网格搜索，扩展并优化了原始样本点。优化结果表明，在球形颗粒条件下，额定工况下的效率提高了
研究人员利用Workbench工作流调整叶片进口和出口角，旨在减少离心泵叶轮和蜗壳的磨损，并优化泵的效率和扬程。通过改变进口和出口角进行正交实验。结合支持向量机（SVM）和网格搜索，扩展并优化了原始样本点。优化结果表明，在球形颗粒条件下，额定工况下的效率提高了1.71%，扬程上升了0.35%。通过增大叶轮进口角形成的适当涡流缓解了离心泵中的颗粒沉积现象，使颗粒流动更平稳。离心泵叶片的磨损量从40.76×10-7 mm减少到7.77×10-7 mm。优化后，蜗壳的整体熵产率（EPR）降低，而叶片吸力面和叶轮出口区域的熵产率增加。此外，通过经验模态分解（EMD）分析发现，优化设计减少了高频干扰和脉动幅值，使流场更加稳定。频率分布也从以高频分量为主转向将能量集中在中低频区域。
离心泵在能源、石化、水利及污水处理等领域广泛用于输送含固体颗粒的液体，这导致叶轮和蜗壳出现严重磨损，缩短设备寿命并造成能量损失和经济损失。针对这一问题，现有研究通过CFD-DEM等方法分析了颗粒磨损机制，并采用粒子群算法、响应面法或遗传算法等优化泵结构，但针对叶片进口角和出口角的多目标优化，尤其是结合熵产分析和压力脉动经验模态分解（EMD）的研究仍相对有限。为此，研究人员以一台设计流量50 m
3/h、设计扬程39 m的离心泵为对象，利用FLUENT-EDEM耦合方法，以叶片进口角α
1和出口角β
2为变量，通过正交实验构建36个样本点，结合支持向量机（SVM）回归与网格搜索建立响应面模型，实现磨损量、效率、扬程的多目标优化，最终选定α
1=40°、β
2=26°。优化后，在球形颗粒（球形度φ=1.0）条件下，额定工况效率提升1.71%，扬程提升0.35%，叶片磨损量从40.76×10
-7 mm降至7.77×10
-7 mm；同时分析了非球形颗粒（φ=0.8）的影响，并对比了优化前后颗粒运动轨迹、熵产分布及压力脉动频域特征。该研究发表在《Fluids》期刊，为离心泵抗磨损优化设计提供了系统的方法和理论依据。
**主要关键技术方法**：
1) 采用FLUENT-EDEM耦合方法进行固液两相流瞬态模拟，EDEM选用Oka磨损模型，接触模型为Hertz-Mindlin无滑动模型，湍流模型为SST k-ω，边界条件为标准大气压入口和流量出口。
2) 通过正交实验（6个进口角×6个出口角）获得36个样本点，利用SVM回归结合网格搜索构建响应面，并以加权综合目标函数（磨损量权重-0.4、-0.2，效率权重0.3，扬程权重0.1）进行多目标优化。
3) 熵产分析将总熵产率分解为直接耗散熵产率、脉动耗散熵产率和壁面熵产率，定量评估各部件能量损失。
4) 压力脉动分析采用无量纲压力脉动系数C
p和无量纲时间系数C
t，并通过经验模态分解（EMD）将压力信号分解为固有模态函数（IMF）分量，分析能量分布特征。
**研究结果**：
**4.1 模型优化前后对比**：优化后叶片几何变化较小，主要体现为叶片出口显著缩短，通过与原始模型对比，分析了此变化对磨损、熵产和压力脉动的影响。
**4.2 优化前后结果对比**：
**4.2.1 性能对比**：通过外特性曲线对比，球形颗粒（φ=1.0）下效率从81.18%升至82.90%，扬程上升0.35%；非球形颗粒（φ=0.8）下效率从82.82%升至82.90%，但扬程略有下降，表明颗粒形状影响扬程稳定性。
**4.2.2 磨损量对比**：优化后叶片平均磨损量大幅降低（从40.76×10
-7 mm降至7.77×10
-7 mm），但蜗壳、轮毂和护板的磨损量略有增加；磨损云图显示叶片压力面磨损位置从靠近后盖板区域移至压力面中部，蜗壳磨损显著减轻。
**4.2.3 颗粒运动状态对比**：通过不同时刻粒子轨迹图，优化后粒子分布更均匀，加速过程更平缓，沉积现象缓解，进口涡流使粒子均匀进入叶轮；非球形颗粒相较于球形颗粒具有更好的跟随性，但导致轴向涡流增强。
**4.3 熵产对比**：
**4.3.1 熵产分布对比**：原始模型高熵产区集中于蜗壳及叶轮压力面边缘，优化后高熵产区转移至叶片吸力面和叶轮出口区域，形成“条带状”分布，表明优化改变了流道内能量耗散机制。
**4.3.2 熵产比例对比**：叶轮空间和蜗壳空间的熵产率远高于壁面，流体内部流动损失是熵产主要来源；优化后φ=1.0条件下叶轮空间熵产率降低约90%，但蜗壳空间熵产率仍较高，壁面熵产率变化较小。
**4.4 压力脉动对比**：
**4.4.1 频域分析**：通过设置9个叶轮监测点、3个叶片前缘监测点、9个蜗壳监测点和3个隔板监测点，发现原始模型在非球形颗粒下主频为39.98 Hz，幅度0.010；优化后主频移至50.00 Hz，前缘脉动减弱，但压力面1和蜗舌处脉动增强，说明优化改善了进口流动但可能恶化出口区域稳定性。
**4.4.2 隔舌区域EMD分解**：对蜗舌1的压力信号进行EMD分析，优化后各IMF分量的能量分布更集中于中频（IMF5占比约70%），高频分量（IMF1-3）能量占比降低，脉动幅值减小，流动更稳定；非球形颗粒（φ=0.8）条件下脉动整体强于球形颗粒（φ=1.0），证实降低球形度会增加流动不稳定性。
**总结讨论**：优化设计显著降低了叶片磨损，通过适当涡流改善了颗粒沉积，使粒子流动更均匀。熵产分析揭示了能量损失区域的重新分布，压力脉动EMD分析表明优化后高频干扰减少，流场更稳定。但本研究仅优化了叶片进出口角，其他结构参数（如叶片包角、叶片数等）对磨损和性能的影响有待后续探索。
**研究结论**：磨损分析表明，优化后叶片的平均磨损量显著降低。与原始模型在叶片压力面出口位置造成严重磨损不同，优化后的固液两相流离心泵进出口使流道部件磨损明显减少且更加均匀一致。尽管前盖板局部磨损增加，但整体磨损控制效果显著，尤其对球形颗粒（φ=1.0）的控制效果更佳。叶轮进口角增大形成适当涡流，有效缓解了颗粒沉积现象，使颗粒进入叶轮时分布更均匀，同时颗粒在叶轮通道中的加速过程更平缓，减少了与叶轮的碰撞次数，尤其对球形颗粒，直接降低了叶轮的磨损风险。熵产分析揭示了优化设计能量机制的变化：高熵产区从原始设计中蜗壳周围的大范围分布转变为优化设计中叶片后缘及流道出口的带状分布，表明优化措施对改善叶轮空间流动具有显著效果。压力脉动分析表明，优化设计改变了流动不稳定源分布，脉动位置从强于前缘和吸力面转变为强于压力面和蜗舌。利用EMD对离心泵蜗舌压力脉动特性进行分析，优化设计将能量集中在特定频率分量上，减少了高频干扰，降低了脉动幅值，使流场稳定。低球形度（φ=0.8）条件下的压力脉动强于高球形度（φ=1.0）条件，证实降低球形度会增加流动不稳定性。本优化仅关注离心泵叶片进出口角，而叶轮众多结构参数已被前人研究证实影响其抗磨损和水力性能，在本文范围内无法全面考察所有因素，后续研究将对其他结构变量进行相关探索。
