淺談離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

詹志明　強(qiáng)沛沛　劉東儒

摘 要：離心泵是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，主要通過離心力的作用將液體從低水位處輸送至高水位處的水力機(jī)械，應(yīng)用十分廣泛從大到航空航海、能源工程等領(lǐng)域，小到城市供水、農(nóng)林灌溉等等。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的飛速發(fā)展其應(yīng)用范圍正在迅速的擴(kuò)大，然而據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)泵站的用電量占全國(guó)用電總量的20%，但當(dāng)前用泵運(yùn)行效率很低不超過50%，恰恰是這種落后的產(chǎn)品深深的影響著國(guó)民的日常生活和工業(yè)發(fā)展，因此，需要探索新的離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法[1]。

關(guān)鍵詞：離心泵；飛速發(fā)展；設(shè)計(jì)方法

1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上對(duì)離心泵的工作機(jī)能探究，可以大致分為：科學(xué)試驗(yàn)階段，科學(xué)理論階段和固液兩相流理論的階段?？墒悄p性能的探究和內(nèi)部介質(zhì)流體流場(chǎng)的研究是現(xiàn)代的固液兩相流主要的研究方向。初始階段，一般都是以科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，借助高精密儀器的去觀測(cè)固液混合物中的固體的運(yùn)動(dòng)，并以此來分析因?yàn)樗拇嬖趯?duì)離心泵的工作產(chǎn)生什么樣的影響，因此提出了其性能參數(shù)和離心泵設(shè)計(jì)的公式究[2]。在科學(xué)理論的階段，通過一般性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)理論，對(duì)于離心泵內(nèi)小顆粒建立模型和方程式，通過相機(jī)逐幀攝制的測(cè)試方法觀測(cè)小顆?；旌狭黧w介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)情況，用來驗(yàn)證上述結(jié)論的科學(xué)性。在對(duì)固液兩相流的理論研究階段，早在上上個(gè)世紀(jì)，OBrien根據(jù)實(shí)驗(yàn)的方法研究了混合物異物的大小對(duì)泵工作的影響，并說明了關(guān)于此種固液混合形態(tài)體離心泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。與此同時(shí)，F(xiàn)airbank對(duì)此種固液混合形態(tài)體的自身屬性的研究，對(duì)其濃度、質(zhì)量比和容積等因素的離心泵對(duì)輸送固液混合物時(shí)關(guān)于離心泵揚(yáng)程的方程進(jìn)行了研究[3]。

中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)離心泵的探索非常落后，因此，相關(guān)的科學(xué)理論也沒有完整的體系，隨著最近幾十年科研人員的不斷努力和創(chuàng)新，也取得了一定的成績(jī)，中國(guó)經(jīng)歷了引入外國(guó)科學(xué)技術(shù)、融合國(guó)外技術(shù)和開發(fā)自主的技術(shù)方法這幾個(gè)重要時(shí)期。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是以最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)軟件為手段，建立目標(biāo)函數(shù)并在滿足各種約束條件下，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)也是是工程設(shè)計(jì)的重要問題之一[4]。在過去的水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一方面僅僅只是針對(duì)離心泵葉片的翼型、葉柵進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，而且實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的過程很繁瑣準(zhǔn)確性不高，另一方面對(duì)于離心泵內(nèi)部其他零部件的研究往往都是通過實(shí)驗(yàn)手段，在其他參數(shù)不變的條件下改變其主要的幾何參數(shù)，然后在不同的流動(dòng)條件下來研究水動(dòng)力特性，取得全面系統(tǒng)的資料作為尋優(yōu)依據(jù)，這不僅受到實(shí)驗(yàn)條件等各方面的局限，而且工作量巨大，產(chǎn)品研究周期太長(zhǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生和發(fā)展，20世紀(jì)后半葉，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)化理論知識(shí)，開始從理論上求出葉片的最優(yōu)速度分布進(jìn)行來葉柵設(shè)計(jì)。我國(guó)華耀南院士確定最優(yōu)速度分布的方法和鄒茲祥教授建立的以動(dòng)量損失厚度最小為目標(biāo)的優(yōu)化問題的泛函在任意可壓縮流動(dòng)的任意回轉(zhuǎn)面上的應(yīng)用[5]，為現(xiàn)在的離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)，從20世紀(jì)80年代中期開始，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究主要圍繞以下幾方面：

（1）基于速度系數(shù)法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。速度系數(shù)法即建立在對(duì)大量的優(yōu)秀的水力模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上的一種相似性換算方法，基于改方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)也就是是對(duì)已有的水力模型和速度系數(shù)進(jìn)行修正和完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，可以更加便捷的建立各種優(yōu)秀水力模型庫，并隨時(shí)可以吸收先進(jìn)的模型，同時(shí)可以及時(shí)優(yōu)化各種系數(shù)。

（2）基于準(zhǔn)則篩選法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。準(zhǔn)則篩選法是一種對(duì)離心泵葉輪內(nèi)流體流場(chǎng)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，建立各種優(yōu)化法則，而后尋求離心泵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及相應(yīng)流道形狀的各種組合，再從中篩選出最佳方案。但該方法各項(xiàng)準(zhǔn)則受到定性分析與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的制約，同時(shí)也受到內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試水平的限制。

（3）基于CFD的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；贑FD的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般思想是：根據(jù)離心泵內(nèi)CFD分析結(jié)果，調(diào)整離心泵的幾何參數(shù)，使得離心泵內(nèi)的流態(tài)趨于接近理想流態(tài)，從而達(dá)到對(duì)對(duì)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的[6]。

2.發(fā)展趨勢(shì)

離心泵葉輪和蝸殼的內(nèi)部流動(dòng)是三維湍流流動(dòng)，然而三維湍流流動(dòng)是流變學(xué)里面最為復(fù)雜的流動(dòng)，古今中外概莫能外，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期研究。國(guó)外一些專家學(xué)者早在20世紀(jì)50年代初就開始嘗試使用數(shù)值計(jì)算方法來預(yù)測(cè)葉輪中的流動(dòng)情況，受制于科學(xué)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件等因素進(jìn)展緩慢，直到70年代后期隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD的誕生，尤其是大量商用CFD軟件在離心泵內(nèi)流流場(chǎng)數(shù)值模擬上的應(yīng)用，離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，然而在實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段還不十分完善的今天，研究采用CFD軟件方法來數(shù)值模擬離心泵葉輪和蝸殼的內(nèi)流機(jī)理和特點(diǎn)，是現(xiàn)代泵技術(shù)進(jìn)行葉輪和蝸殼造型、設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化的重要研究方法。

通過對(duì)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)古老且需不斷創(chuàng)新的課題，對(duì)其研究一直是關(guān)注的焦點(diǎn)。其主要發(fā)展趨勢(shì)：

（1）構(gòu)建多個(gè)目標(biāo)、多個(gè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的各種計(jì)算模型；

（2）綜合考慮零件之間的匹配關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象逐步從單個(gè)過流部件到多個(gè)或整機(jī)；

（3）參數(shù)設(shè)計(jì)與基于CFD分析的改型設(shè)計(jì)更加緊密結(jié)合；

（4）離心泵葉片型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以及葉型與幾何參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合；

（5）新型優(yōu)化算法（如：遺傳算法等）在離心泵各種參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

另外，隨著科技的發(fā)展，一些高新技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)分析技術(shù)、智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)等得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，可以說，未來的離心泵參數(shù)優(yōu)化應(yīng)該是由計(jì)算機(jī)智能控制的高科技產(chǎn)品，它將為未來的水力水電、工礦企業(yè)、給排水公司等等的現(xiàn)代化做出新的、更大的貢獻(xiàn)。（作者單位：池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系）