流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備應(yīng)用與數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展

徐涵卓，劉志浩，孫寶昌，張亮亮，鄒海魁，羅勇，初廣文

（北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心，北京 100029）

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備是指以流體為工作介質(zhì)與能量載體，在工作過(guò)程中將流體能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一類(lèi)機(jī)械裝備。按照能量轉(zhuǎn)換方式，可分為轉(zhuǎn)換流體動(dòng)能為主的沖擊式流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備與轉(zhuǎn)換流體勢(shì)能為主的反擊式流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備。流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在能源工程中應(yīng)用廣泛，以汽輪機(jī)和水輪機(jī)為代表的裝備承擔(dān)了現(xiàn)代電力工業(yè)中絕大部分發(fā)電量。

在水輪機(jī)等傳統(tǒng)流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的啟發(fā)之下，以轉(zhuǎn)子為核心，通過(guò)流體驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝備不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了進(jìn)一步拓展，逐步與海水淡化、制冷、混合、測(cè)速等多種過(guò)程結(jié)合。同時(shí)，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備得到了更深入的研究，展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)綜述了流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在能源工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，探究了數(shù)值模擬在流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備中的研究進(jìn)展，對(duì)比了不同模擬方法，最后展望了流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)技術(shù)在超重力裝備中的應(yīng)用前景。

1 流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備應(yīng)用

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與回收，具有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。其應(yīng)用主要集中于能源工程領(lǐng)域、化學(xué)工程領(lǐng)域及開(kāi)采等其他領(lǐng)域，本文將按流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ浒l(fā)展進(jìn)行綜述。

圖1 流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備代表性應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 能源工程

在能源工程領(lǐng)域，以水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、波能轉(zhuǎn)換裝備為代表的流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在能量轉(zhuǎn)換發(fā)電中發(fā)揮著重要作用。其中水輪機(jī)因其結(jié)構(gòu)多樣，在多個(gè)領(lǐng)域衍生出獨(dú)特的應(yīng)用形式，對(duì)后續(xù)流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的發(fā)展起到了很好的借鑒作用。

1.1.1 水輪機(jī)及其衍生裝備

水輪機(jī)是水能發(fā)電的核心裝備，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式可分為反擊式水輪機(jī)及沖擊式水輪機(jī)。它們分別將水流的壓力能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子機(jī)械能。其結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)、完善，逐漸形成了現(xiàn)代水輪機(jī)體系，如表1所示?，F(xiàn)代常用水輪機(jī)有卡普蘭水輪機(jī)、弗朗西斯水輪機(jī)以及佩爾頓水輪機(jī)，分別適用于低水頭（2～30m）、中水頭（30～100m）及高水頭（>100m）的情況，其效率通常在90%以上，而對(duì)于超低水頭工況水輪機(jī)，其效率較低，在60%～80%，并且水輪機(jī)及其安裝成本占總施工成本的35%～40%，與其發(fā)電量相比成本偏高，限制了超低水頭水輪機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。輕量化葉輪的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了新的思路。

表1 水輪機(jī)分類(lèi)、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

除了應(yīng)用于水能發(fā)電，水輪機(jī)已發(fā)展出了一些跨領(lǐng)域應(yīng)用。張飛狂提出了一種“免風(fēng)機(jī)電機(jī)”水力取風(fēng)冷卻塔，該塔采用貫流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉，用水輪機(jī)代替風(fēng)機(jī)電機(jī)，與傳統(tǒng)冷卻塔相比，該塔具有節(jié)能、安全高效等優(yōu)點(diǎn)。在原有水輪機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了針對(duì)冷卻塔工況的水輪機(jī)，進(jìn)一步提高了冷卻塔的性能。

除此之外，在船舶及消防除煙防爆抽取危險(xiǎn)高溫?zé)煔夥矫?，采用水輪機(jī)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)可以在無(wú)電環(huán)境下將危險(xiǎn)區(qū)域的高溫有毒煙氣抽出，降低二次災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在深層礦井熱害治理方面，為充分利用水能，盧宇鵬等發(fā)明了一種基于斜擊式水輪機(jī)的水力通風(fēng)換熱機(jī)，解決了輸水管道靜壓過(guò)高的問(wèn)題，減少了對(duì)高低壓轉(zhuǎn)換裝置的投資。

圖2 水輪風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)[20]

以水輪機(jī)為核心的一系列衍生裝備在能量轉(zhuǎn)換及替代電機(jī)方面都展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。但在應(yīng)用過(guò)程中，衍生裝備大多直接選用已有水輪機(jī)，沒(méi)有根據(jù)不同工況進(jìn)行專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，因此存在著效率較低等問(wèn)題。

1.1.2 風(fēng)力機(jī)

風(fēng)能作為重要的能源，常用于風(fēng)力發(fā)電，其核心裝備是風(fēng)力機(jī)。與水輪機(jī)相比，風(fēng)力機(jī)種類(lèi)相對(duì)較少，不同風(fēng)力機(jī)原理類(lèi)似，即通過(guò)不同方向來(lái)風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機(jī)按結(jié)構(gòu)可以分為水平軸風(fēng)力機(jī)、垂直軸風(fēng)力機(jī)及橫軸風(fēng)力機(jī)。垂直軸風(fēng)力機(jī)效率低于水平軸風(fēng)力機(jī)，但其更適合在低風(fēng)速等不利的情況下運(yùn)行。為提高風(fēng)力機(jī)效率及改善自啟動(dòng)性能，兼具水平葉片及垂直葉片的橫軸風(fēng)力機(jī)被提出，由于水平葉片及垂直葉片的存在，使其可以捕獲水平來(lái)風(fēng)及垂直來(lái)風(fēng)的能量。圖3 展示了三種不同風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)差異及其對(duì)不同方向來(lái)風(fēng)捕獲情況。

圖3 海上水平軸風(fēng)力機(jī)、垂直軸風(fēng)力機(jī)、橫軸風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用[31]

風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過(guò)程存在動(dòng)態(tài)失速問(wèn)題，為解決該問(wèn)題，仿生風(fēng)力機(jī)葉片在近些年得到了關(guān)注，如圖4所示。其功角可以根據(jù)來(lái)風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有良好的自啟動(dòng)性能。而仿生葉片的提出與運(yùn)用也可為其他流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備葉片設(shè)計(jì)提供新思路。

圖4 不同種類(lèi)仿生葉片

1.1.3 波能轉(zhuǎn)換裝備

波浪能作為海洋能源中一種重要形式，其捕集轉(zhuǎn)換已在不同流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的參與下得到了廣泛研究與應(yīng)用。根據(jù)工作原理不同，可將捕集轉(zhuǎn)換波浪能的波能轉(zhuǎn)換裝備分為振蕩水柱裝備、振蕩浮子裝備和漫頂裝備。其中振蕩水柱裝備及漫頂裝備都是通過(guò)渦輪實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。振蕩水柱裝備的原理如圖5 所示，海面波浪起伏使振蕩水柱裝備內(nèi)部空腔體積發(fā)生變化，使空氣被吸入或壓出裝備，在此過(guò)程中流動(dòng)空氣驅(qū)動(dòng)渦輪實(shí)現(xiàn)發(fā)電。在振蕩水柱裝備中，空氣渦輪啟動(dòng)過(guò)程存在著與垂直軸風(fēng)力機(jī)類(lèi)似的動(dòng)態(tài)失速問(wèn)題，常通過(guò)減緩失速的方法來(lái)優(yōu)化其性能。漫頂裝備原理如圖6所示，波浪經(jīng)過(guò)漫頂裝備時(shí)一部分水被存儲(chǔ)在高于海平面的儲(chǔ)層，后通過(guò)低水頭水輪機(jī)將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行發(fā)電。

圖5 振蕩水柱裝置示意圖[37]

圖6 漫頂裝置[38]

傳統(tǒng)波能轉(zhuǎn)換裝備只被當(dāng)作單純的發(fā)電裝備，由于波能轉(zhuǎn)換裝備能夠產(chǎn)生高壓海水，而高壓海水可以通過(guò)反滲透法產(chǎn)生淡水，因此近些年來(lái)研究者將波能轉(zhuǎn)換裝備與反滲透法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了波浪能轉(zhuǎn)換與海水淡化相結(jié)合的應(yīng)用。

1.2 化學(xué)工程

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在化學(xué)工程中主要起能量回收作用，如液力透平。此外，兼具能量回收與制冷作用的渦輪膨脹機(jī)以及用于混合的旋轉(zhuǎn)射流攪拌器也得到了研究與應(yīng)用。

1.2.1 液力透平

液力透平是以高壓流體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一種流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備，主要形式為泵反轉(zhuǎn)，原理如圖7 所示。離心泵、垂直軸泵、混流式泵和沖擊式泵在泵反轉(zhuǎn)作透平方面都有應(yīng)用案例。由于研究較早，液力透平技術(shù)被應(yīng)用于大多數(shù)壓力能回收過(guò)程，如石油、化工生產(chǎn)、深部礦體開(kāi)采和反滲透海水淡化。除此之外，與傳統(tǒng)水輪機(jī)相比，相同工況下泵價(jià)格僅為其50%左右，極大地節(jié)約了成本，且配件容易獲取，因此在小型水力資源利用方面液力透平比水輪機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。

圖7 泵（混流泵）反轉(zhuǎn)作透平工作原理[50]

液力透平在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，仍存在一定的問(wèn)題。如缺少流量控制系統(tǒng)使液力透平在運(yùn)行過(guò)程中很難達(dá)到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，而其在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行效果不佳，且液力透平選擇方法及性能曲線的預(yù)測(cè)不夠成熟，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在±20%左右。針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員提出了可變操作策略方法，其核心是獲得液力透平流量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，并擬合獲得最佳性能曲線。該方法的提出有望解決液力透平現(xiàn)存的問(wèn)題。

1.2.2 透平膨脹機(jī)

透平膨脹機(jī)是一種利用高壓氣體作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，在氣體絕熱等熵做功膨脹過(guò)程中獲得低溫制冷功效的流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備，在空氣分離、天然氣液化、氫氦液化制冷等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

根據(jù)渦輪形式不同，透平膨脹機(jī)可分為軸流式、徑流式及徑-軸流式，圖8 展示了不同渦輪結(jié)構(gòu)。軸流式透平膨脹機(jī)處理氣量大，多用于大功率氣體冷卻系統(tǒng)，其功率范圍通常在500kW 以上。與軸流式相比，徑流式透平膨脹機(jī)膨脹比高、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，更適用于低功率工作范圍（50～500kW）。徑-軸流式透平膨脹機(jī)具有比焓降大、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高等特點(diǎn)，在空氣分離等低溫裝備中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖8 透平膨脹機(jī)渦輪三維模型

除了在制冷方面的應(yīng)用，透平膨脹機(jī)在石油化工等多領(lǐng)域中也被作為能量回收裝備來(lái)回收二次能源。在天然氣運(yùn)輸過(guò)程中，為使天然氣滿(mǎn)足用氣壓力，需通過(guò)天然氣調(diào)壓站降低氣流壓力，壓力調(diào)節(jié)器帶來(lái)的壓降伴隨著能量耗散，引起了不可逆的能量損失。透平膨脹機(jī)的使用可回收這部分能量用于發(fā)電。此外，工廠中壓力能常浪費(fèi)在節(jié)流設(shè)備壓力流量調(diào)節(jié)上，近年來(lái)透平膨脹機(jī)逐漸取代節(jié)流閥，從而既能控制壓力又能回收能量。

1.2.3 旋轉(zhuǎn)射流混合器

旋轉(zhuǎn)射流混合器是流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)與攪拌混合相結(jié)合的一種應(yīng)用形式，常用在大型儲(chǔ)罐中防雜質(zhì)沉積。旋轉(zhuǎn)射流混合器由葉輪、噴嘴、減速箱等部件組成，如圖9所示，儲(chǔ)罐內(nèi)泵加壓后輸出的流體高速?lài)娚涞饺~輪上促使葉輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪通過(guò)減速箱帶動(dòng)噴嘴外殼緩慢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速通常在0.001～0.1r/min 以延長(zhǎng)射流對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)沉積雜質(zhì)剪切時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全方位攪拌混合效果。旋轉(zhuǎn)射流混合器的應(yīng)用避免了傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌方式帶來(lái)的密封困難、耗電量大及存在安全隱患等問(wèn)題，且與側(cè)向射流混合器相比混合更全面。但若噴嘴旋轉(zhuǎn)過(guò)快，會(huì)降低對(duì)沉積物的沖擊、攪拌效果。因此，減速比是評(píng)判旋轉(zhuǎn)射流混合器性能的重要指標(biāo)。由于國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流混合器研究起步較晚，其性能仍有較大提升空間。

圖9 旋轉(zhuǎn)噴射混合器實(shí)物圖[67]

1.3 其他

在油氣開(kāi)采領(lǐng)域，流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備以渦輪鉆具的形式得到了應(yīng)用。渦輪鉆具是一種結(jié)構(gòu)特殊的井下動(dòng)力鉆具，其原理是利用鉆井泵打出的高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打井功能。圖10展示了渦輪鉆具的整體結(jié)構(gòu)，其核心部分為渦輪主體區(qū)域，渦輪主體部分由子渦輪組成并通過(guò)增加渦輪級(jí)數(shù)來(lái)提高輸出功率，部分渦輪鉆具可增至100 級(jí)以上。每級(jí)渦輪上又有多個(gè)靜葉片和動(dòng)葉片。隨著各種新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，渦輪鉆具憑借其轉(zhuǎn)速高、操作扭矩大的優(yōu)點(diǎn)在石油、天然氣鉆井工程中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

圖10 典型渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[75]

在測(cè)速領(lǐng)域，通過(guò)流體驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)得到與流速相關(guān)輸出信號(hào)的渦輪流量計(jì)是一種高精度測(cè)量?jī)x器，其兩種結(jié)構(gòu)示意圖如圖11 所示。與渦輪流量計(jì)原理類(lèi)似的測(cè)速渦輪在高速運(yùn)動(dòng)物體測(cè)速領(lǐng)域也發(fā)揮了巨大的作用。

圖11 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

除此之外，與高速水射流技術(shù)結(jié)合的流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在反沖洗過(guò)濾領(lǐng)域得到了應(yīng)用。張宏等提出了一種基于多孔射流的反沖洗過(guò)濾器，通過(guò)高速水射流驅(qū)動(dòng)濾芯旋轉(zhuǎn)，使濾芯外表面均勻經(jīng)受多孔射流打擊力作用，從而使濾餅雜質(zhì)破碎。同時(shí)濾芯旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也有助于濾餅從濾芯基體表面脫落，實(shí)現(xiàn)了高效清洗過(guò)濾器的功能。

綜上所述，流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備已在不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但各領(lǐng)域研究進(jìn)展相差較大。傳統(tǒng)水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)等裝備性能曲線預(yù)測(cè)成熟，效率較高，而新發(fā)展的流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備則存在著一些問(wèn)題。將各裝備存在問(wèn)題及優(yōu)化方法或解決方案總結(jié)見(jiàn)表2。

表2 流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備存在的問(wèn)題及優(yōu)化方法/解決方案

2 流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備數(shù)值模擬方法

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的傳統(tǒng)研究過(guò)程大多以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)驗(yàn)證為主，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為了流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的新途徑。與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法降低了成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更為便捷，有助于提升流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的綜合性能。根據(jù)轉(zhuǎn)速給定方式的不同，數(shù)值模擬方法可分為主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法及被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法。

2.1 主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在運(yùn)行過(guò)程中存在轉(zhuǎn)速上升的啟動(dòng)階段及轉(zhuǎn)速相對(duì)不變的穩(wěn)定階段。主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法通常用于研究流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備在特定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速穩(wěn)定階段下的性能。在研究能量損失、預(yù)測(cè)裝備效率等方面主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬都被證實(shí)與試驗(yàn)結(jié)果有較高的吻合度。以沖擊式水輪機(jī)為例，Aaraj等在給定葉輪轉(zhuǎn)速為3000r/min 的情況下，模擬了不同半徑?jīng)_擊式水輪機(jī)的氣動(dòng)損失，模擬值與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式吻合較好。Zeng等在轉(zhuǎn)速500r/min的情況下，建立了如圖12 所示的模擬模型，對(duì)佩爾頓水輪機(jī)進(jìn)行全流道模擬，其水力效率模擬結(jié)果與試驗(yàn)誤差在2%之內(nèi)。Cui等通過(guò)改變轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)裝備效率得到的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。

圖12 四噴嘴沖擊式水輪機(jī)模擬結(jié)果[90]

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，Sengpanich 等建立了離心泵作沖擊式液力透平模型優(yōu)化射流入口位置（如圖13所示），在轉(zhuǎn)速為750r/min和1500r/min時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果表明，最優(yōu)射流沖擊角度分別為30°和38.5°；Liu 等在15000r/min 的工況下對(duì)透平膨脹機(jī)導(dǎo)葉及葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使葉輪流道內(nèi)流動(dòng)更平穩(wěn)。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下流體沖擊離心泵葉輪[45]

由于流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)是一種被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)采用主動(dòng)轉(zhuǎn)速模擬方法時(shí)，流體流動(dòng)與葉片之間的相互作用被忽略。為獲得與實(shí)際試驗(yàn)更為接近的流場(chǎng)信息，由流體驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法被提出并得到了關(guān)注與研究。

2.2 被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法

被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法（或稱(chēng)為流體驅(qū)動(dòng)模擬方法）常應(yīng)用于垂直軸風(fēng)機(jī)、沖擊式水輪機(jī)等流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的啟動(dòng)過(guò)程研究，并為解決啟動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)失速問(wèn)題提供了新途徑。

Untaroiu 等采用被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法，研究垂直軸風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)性能。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)值與模擬值誤差在12%以?xún)?nèi)，表明二維流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行速度。Le等運(yùn)用被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法進(jìn)一步研究了垂直軸風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。二維模型下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法與傳統(tǒng)給定葉尖速度比（tip-speed ratio, TSR）模擬方法功率系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果一致性較高，驗(yàn)證了被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法的可行性，并進(jìn)一步將該模擬方法應(yīng)用于對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖14所示，結(jié)果表明垂直軸風(fēng)機(jī)采用螺旋葉片性能優(yōu)于傳統(tǒng)直葉片。

圖14 二維及三維流體驅(qū)動(dòng)仿真預(yù)測(cè)功率系數(shù)[94]

Zhu等通過(guò)圖15所示方法建立了垂直軸風(fēng)機(jī)與流體的相互作用模型，合理地考慮了流體與風(fēng)機(jī)的相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)空氣驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬。其模擬值與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖16所示，結(jié)果驗(yàn)證了該模型的可行性。由該模擬方法得到的風(fēng)輪實(shí)度、固定螺距角與風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)性能間的量化關(guān)系，可為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減緩動(dòng)態(tài)失速提供依據(jù)。

圖15 流體-風(fēng)機(jī)相互作用過(guò)程示意圖[92]

圖16 垂直軸風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)過(guò)程角速度隨時(shí)間變化情況[92]

除了垂直軸風(fēng)機(jī)，蔣勇其等對(duì)佩爾頓水輪機(jī)進(jìn)行了被動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬，分析了轉(zhuǎn)速、力矩、流態(tài)、葉片上壓力值的變化規(guī)律，其中轉(zhuǎn)速模擬值與理論值相對(duì)誤差為0.24%，為水輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程優(yōu)化及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)動(dòng)力研究奠定了基礎(chǔ)。Liu 等將被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬應(yīng)用于潮汐能、波浪能轉(zhuǎn)換裝備中，驗(yàn)證了模擬的可行性并發(fā)現(xiàn)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法對(duì)復(fù)雜入射流條件下旋轉(zhuǎn)裝備的瞬態(tài)性能具有良好的預(yù)測(cè)能力。張永勝等采用Fluent 6DOF 模型對(duì)渦輪流量計(jì)中渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬，仿真結(jié)果與實(shí)流校準(zhǔn)結(jié)果最大偏差為3.8%，結(jié)果證實(shí)了6DOF 被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型對(duì)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高。表3 總結(jié)了近十年來(lái)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬研究進(jìn)展與主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法相比，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬可以反映流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備啟動(dòng)特性，提供更貼近實(shí)際的流場(chǎng)信息。但目前被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬發(fā)展較慢，仍以二維單相流模擬為主。

表3 被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬研究進(jìn)展

總結(jié)對(duì)比流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備數(shù)值模擬方法，如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程研究可選用被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法，對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的模擬則可選用主動(dòng)模擬方法。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法有望實(shí)現(xiàn)從二維到三維，從單相流到多相流的跨越，為流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備運(yùn)行全過(guò)程數(shù)值模擬提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

表4 流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備數(shù)值模擬方法對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)與展望

流體驅(qū)動(dòng)裝備在能源工程、化學(xué)工程等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的研究與應(yīng)用，數(shù)值模擬方法的發(fā)展，為流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備拓展應(yīng)用工況、降低研發(fā)成本提供了強(qiáng)有力的工具，其中被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法作為一種更貼合實(shí)際的模擬方法，具有更好的發(fā)展前景。流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備應(yīng)用及研究方法在不斷發(fā)展過(guò)程中也存在一些不足。第一，應(yīng)用于新領(lǐng)域的流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備缺乏專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，大多是采用已有裝備結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造利用，存在效率較低等問(wèn)題。第二，流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備對(duì)驅(qū)動(dòng)流體流量以及壓力有一定要求，在小流量低壓頭工況中使用受限制。第三，在數(shù)值模擬方法方面，傳統(tǒng)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法無(wú)法完整反映流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，而被動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬方法仍以二維單相流模擬為主。未來(lái)的研究應(yīng)主要聚焦于上述問(wèn)題，并結(jié)合新材料及高性能材料3D 打印技術(shù)等的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件的輕量化設(shè)計(jì)與制造。

流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備可以將旋轉(zhuǎn)部件密封于殼體內(nèi)，提高了整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，取消了動(dòng)密封，避免了動(dòng)設(shè)備密封泄漏問(wèn)題，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性及本質(zhì)安全性，對(duì)解決化工領(lǐng)域中的高壓、有毒等特殊工況動(dòng)設(shè)備安全性問(wèn)題提供了良好的思路?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)化工過(guò)程裝備小型化、本質(zhì)安全性要求的逐漸提高，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備的一種替代，流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備具有廣闊的應(yīng)用前景，流體驅(qū)動(dòng)裝備技術(shù)和化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合將成為重要的研發(fā)方向。超重力技術(shù)作為化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)的代表之一，其核心裝備是旋轉(zhuǎn)填充床，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)填充床由電機(jī)旋轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子提供動(dòng)力。鑒于流體驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝備技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)流體驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)填充床，將有望進(jìn)一步提升裝備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和安全性，拓展超重力技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，在推進(jìn)節(jié)能減排、安全生產(chǎn)等方面發(fā)揮更重要的作用。