泵類流體機(jī)械的反思與前瞻性研究

鄭文升　韓志堅(jiān)

摘要：泵機(jī)械廣泛應(yīng)用于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，泵的使用有悠久的歷史，目前泵類流體機(jī)械的研究主要有泵內(nèi)流動(dòng)數(shù)值的模擬和測(cè)試研究，泵理論和泵設(shè)計(jì)方法研究，為發(fā)展所需的新泵產(chǎn)品、泵技術(shù)的開發(fā)研究等方向。泵類流體機(jī)械的發(fā)展，要注重對(duì)泵類流體機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法以及在節(jié)能降耗方面的研究，泵研究還要符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

關(guān)鍵詞：泵機(jī)械；流體機(jī)械；離心泵理論；無堵塞泵設(shè)計(jì)；

引言

泵類機(jī)械可以將原動(dòng)機(jī)上機(jī)械能變?yōu)橐后w能量。在國民經(jīng)濟(jì)和國家建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空飛行、潛艇、城市排水、石化、發(fā)電等都有廣泛應(yīng)用。泵是除了電機(jī)以外使用最為普遍的通用機(jī)械。泵的使用可以追溯到古代人們發(fā)明的提水器具，1754年，歐提拉的葉輪式水力機(jī)械方程式的提出，可以算作設(shè)計(jì)離心泵的理論基礎(chǔ)，我國水力機(jī)械專業(yè)第一次成立是在1955年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)。泵類流體機(jī)械這個(gè)應(yīng)用學(xué)科，經(jīng)過多年的發(fā)展，在理論和應(yīng)用研究方面都取得了重大成果。

一、泵類流體機(jī)械的研究進(jìn)展

第一，泵內(nèi)流動(dòng)數(shù)值的模擬和測(cè)試研究。對(duì)這方面進(jìn)行研究可以獲得泵流道內(nèi)部任何位置的速度等眾多流場(chǎng)特征，還可根據(jù)流動(dòng)特征對(duì)泵的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化?，F(xiàn)在的研究主要在全流道內(nèi)部的動(dòng)靜部件耦合與非定常三維湍流方面，動(dòng)靜部件的處理界面通常運(yùn)用的是滑移網(wǎng)格技術(shù)或者動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的模式，基本使用粒子圖像測(cè)速儀的測(cè)試技術(shù)，最近幾年研究的焦點(diǎn)在非定常三維湍流情況下的水泵CFD分析。汽蝕計(jì)算上，多相流模型在不斷發(fā)展完善，也大大提高了汽蝕計(jì)算精度，但汽蝕本身非常復(fù)雜，汽蝕CFD問題還是一個(gè)難點(diǎn)，數(shù)值模擬的接貨經(jīng)常與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差距，要解決的問題還有很多，利用不同軟件，在不同條件下都會(huì)得到不同的結(jié)果。1932年，出現(xiàn)了使用可視化技術(shù)來對(duì)泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究的方法，使得泵內(nèi)流測(cè)試的技術(shù)向前發(fā)展了一大步，現(xiàn)在常用的有熱線風(fēng)速儀、PIV等內(nèi)流測(cè)速的技術(shù)。Paone第一個(gè)使用PIV技術(shù)測(cè)量泵內(nèi)的流動(dòng)情況，PIV系統(tǒng)屬于流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，隨著泵類流體機(jī)械實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而形成，有直觀且流場(chǎng)不受干擾等眾多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在是泵內(nèi)部的流場(chǎng)測(cè)試中最主要的方法。

二、泵理論和泵設(shè)計(jì)方法

三峽工程后的另一重要調(diào)水工程南水北調(diào)工程，共投資了五千億元，預(yù)期的建設(shè)時(shí)間為五十年，該重大工程有東、中、西三條線路，該工程需要眾多技術(shù)支持和技術(shù)保障，為此，國內(nèi)各個(gè)研究單位和廠家都研究了各種性能參數(shù)的水力模型。2003年我國水利部的南水北調(diào)辦公室專門在天津新設(shè)了泵試驗(yàn)臺(tái)，給南水北調(diào)工程提供同臺(tái)試驗(yàn)，第一批試驗(yàn)就有27個(gè)優(yōu)秀水力模型參加，選出了大過流量，高效率的水力模型。關(guān)醒凡的擴(kuò)大軸流泵的高效范圍的技術(shù)，曹樹良采用流線迭代法來解軸面流動(dòng)，繪葉形骨線使用逐點(diǎn)積分方法，這個(gè)方法有高設(shè)計(jì)計(jì)算精度，齊全的表面數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過完善的無堵塞的泵設(shè)計(jì)方法，我國已經(jīng)得到了廣泛的使用，還有先進(jìn)產(chǎn)品出口發(fā)達(dá)國家。泵性能預(yù)測(cè)，即先提供流道幾何參數(shù)、泵內(nèi)部流場(chǎng)、泵的制造加工水平等數(shù)據(jù)，對(duì)繃得性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，它能盡可能的使產(chǎn)品研發(fā)周期縮短，并最大限度節(jié)省代發(fā)成本，這些使它是泵領(lǐng)域的重要研究課題。

三、為發(fā)展所需的新泵產(chǎn)品、泵技術(shù)的開發(fā)研究

參考了無堵塞泵技術(shù)發(fā)展的狀況和該技術(shù)存在的急需解決的問題，提出了研究高效的無堵塞泵的理論和設(shè)計(jì)方法。QW類型潛水排污泵、具有切割破碎功用的特定排污泵、新型漩渦排污泵等眾多高效率無堵塞泵的一系列產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生了。目前我國農(nóng)業(yè)用水越來越短缺，國家也不斷加大對(duì)農(nóng)業(yè)的投入，迫切需要農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，一種高效的節(jié)水灌溉產(chǎn)品一射流式自吸的噴灌泵，促進(jìn)了我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

四、泵類流體機(jī)械發(fā)展方向

首先是對(duì)泵類流體機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法以及在節(jié)能降耗方面的研究。無論是國內(nèi)還是國外，泵設(shè)計(jì)理論總體上都是處于理論與經(jīng)驗(yàn)互相結(jié)合的階段，以前的速度系數(shù)法和現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的流場(chǎng)分析法，還有反問題方法，都需要設(shè)計(jì)者的長期經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)秀的水力模型，這是因?yàn)楸妙惲鲃?dòng)極其復(fù)雜，泵類流體機(jī)械的流道形狀，還有動(dòng)靜部件之間常常相互干涉，使得泵內(nèi)流動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的方式。另外汽蝕問題也是泵領(lǐng)域的一個(gè)重大難題，因?yàn)槠輹?huì)是流道里面速度分布改變，引起機(jī)械振動(dòng)、噪音，還會(huì)破壞葉輪等其他過流部件，大大影響了泵機(jī)械的工作性能，使其不能正常運(yùn)行，如何使泵機(jī)械對(duì)抗汽蝕性能，需要進(jìn)行深入研究。

其次是泵研究要符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。我國泵產(chǎn)品在近年來的技術(shù)水平已經(jīng)有了很大提高，通過不斷的引進(jìn)技術(shù)、更新?lián)Q代、吸收創(chuàng)新，我國泵產(chǎn)品已經(jīng)有了八十年代末泵產(chǎn)品在國際上的水平，個(gè)別先進(jìn)產(chǎn)品更是接近同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。但是我國泵產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還是總體水平偏低，我國造船業(yè)正在崛起，船用泵對(duì)泵技術(shù)的要求也越來越高，要求船用泵要有可靠性，對(duì)質(zhì)量和體積，噪聲，都有特殊要求，建立更加結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，都需要科研人員的進(jìn)一步研究。