泵类流体机械的反思与前瞻性研究

郑文升　韩志坚

摘要：泵机械广泛应用于我国经济发展的各个领域，泵的使用有悠久的历史，目前泵类流体机械的研究主要有泵内流动数值的模拟和测试研究，泵理论和泵设计方法研究，为发展所需的新泵产品、泵技术的开发研究等方向。泵类流体机械的发展，要注重对泵类流体机械的现代设计理论和方法以及在节能降耗方面的研究，泵研究还要符合社会经济发展需要。

关键词：泵机械；流体机械；离心泵理论；无堵塞泵设计；

引言

泵类机械可以将原动机上机械能变为液体能量。在国民经济和国家建设的各个领域，如航空飞行、潜艇、城市排水、石化、发电等都有广泛应用。泵是除了电机以外使用最为普遍的通用机械。泵的使用可以追溯到古代人们发明的提水器具，1754年，欧提拉的叶轮式水力机械方程式的提出，可以算作设计离心泵的理论基础，我国水力机械专业第一次成立是在1955年在哈尔滨工业大学。泵类流体机械这个应用学科，经过多年的发展，在理论和应用研究方面都取得了重大成果。

一、泵类流体机械的研究进展

第一，泵内流动数值的模拟和测试研究。对这方面进行研究可以获得泵流道内部任何位置的速度等众多流场特征，还可根据流动特征对泵的性能进行预测和优化。现在的研究主要在全流道内部的动静部件耦合与非定常三维湍流方面，动静部件的处理界面通常运用的是滑移网格技术或者动网格技术的模式，基本使用粒子图像测速仪的测试技术，最近几年研究的焦点在非定常三维湍流情况下的水泵CFD分析。汽蚀计算上，多相流模型在不断发展完善，也大大提高了汽蚀计算精度，但汽蚀本身非常复杂，汽蚀CFD问题还是一个难点，数值模拟的接货经常与实际实验结果存在较大差距，要解决的问题还有很多，利用不同软件，在不同条件下都会得到不同的结果。1932年，出现了使用可视化技术来对泵内部流动进行研究的方法，使得泵内流测试的技术向前发展了一大步，现在常用的有热线风速仪、PIV等内流测速的技术。Paone第一个使用PIV技术测量泵内的流动情况，PIV系统属于流场测试系统，随着泵类流体机械实际应用中计算机技术的发展而形成，有直观且流场不受干扰等众多优点，现在是泵内部的流场测试中最主要的方法。

二、泵理论和泵设计方法

三峡工程后的另一重要调水工程南水北调工程，共投资了五千亿元，预期的建设时间为五十年，该重大工程有东、中、西三条线路，该工程需要众多技术支持和技术保障，为此，国内各个研究单位和厂家都研究了各种性能参数的水力模型。2003年我国水利部的南水北调办公室专门在天津新设了泵试验台，给南水北调工程提供同台试验，第一批试验就有27个优秀水力模型参加，选出了大过流量，高效率的水力模型。关醒凡的扩大轴流泵的高效范围的技术，曹树良采用流线迭代法来解轴面流动，绘叶形骨线使用逐点积分方法，这个方法有高设计计算精度，齐全的表面数据等优点。经过完善的无堵塞的泵设计方法，我国已经得到了广泛的使用，还有先进产品出口发达国家。泵性能预测，即先提供流道几何参数、泵内部流场、泵的制造加工水平等数据，对绷得性能进行预测，它能尽可能的使产品研发周期缩短，并最大限度节省代发成本，这些使它是泵领域的重要研究课题。

三、为发展所需的新泵产品、泵技术的开发研究

参考了无堵塞泵技术发展的状况和该技术存在的急需解决的问题，提出了研究高效的无堵塞泵的理论和设计方法。QW类型潜水排污泵、具有切割破碎功用的特定排污泵、新型漩涡排污泵等众多高效率无堵塞泵的一系列产品应运而生了。目前我国农业用水越来越短缺，国家也不断加大对农业的投入，迫切需要农业现代化，一种高效的节水灌溉产品一射流式自吸的喷灌泵，促进了我国的农业发展。

四、泵类流体机械发展方向

首先是对泵类流体机械的现代设计理论和方法以及在节能降耗方面的研究。无论是国内还是国外，泵设计理论总体上都是处于理论与经验互相结合的阶段，以前的速度系数法和现在蓬勃发展的流场分析法，还有反问题方法，都需要设计者的长期经验和优秀的水力模型，这是因为泵类流动极其复杂，泵类流体机械的流道形狀，还有动静部件之间常常相互干涉，使得泵内流动是一个极其复杂的方式。另外汽蚀问题也是泵领域的一个重大难题，因为汽泡会是流道里面速度分布改变，引起机械振动、噪音，还会破坏叶轮等其他过流部件，大大影响了泵机械的工作性能，使其不能正常运行，如何使泵机械对抗汽蚀性能，需要进行深入研究。

其次是泵研究要符合社会经济发展需要。我国泵产品在近年来的技术水平已经有了很大提高，通过不断的引进技术、更新换代、吸收创新，我国泵产品已经有了八十年代末泵产品在国际上的水平，个别先进产品更是接近同类产品的国际先进水平。但是我国泵产品的生产技术还是总体水平偏低，我国造船业正在崛起，船用泵对泵技术的要求也越来越高，要求船用泵要有可靠性，对质量和体积，噪声，都有特殊要求，建立更加结构优化的设计方法，都需要科研人员的进一步研究。