詹志明　強沛沛　劉東儒

摘 要：離心泵是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能，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大，然而據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)泵站的用電量占全國用電總量的20%，但當(dāng)前用泵運行效率很低不超過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)計的方法[1]。

關(guān)鍵詞：離心泵；飛速發(fā)展；設(shè)計方法

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國際上對離心泵的工作機能探究，可以大致分為：科學(xué)試驗階段，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)的實驗設(shè)計，借助高精密儀器的去觀測固液混合物中的固體的運動，并以此來分析因為它的存在對離心泵的工作產(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)計的公式究[2]。在科學(xué)理論的階段，通過一般性的科學(xué)實驗以及科學(xué)理論，對于離心泵內(nèi)小顆粒建立模型和方程式，通過相機逐幀攝制的測試方法觀測小顆?；旌狭黧w介質(zhì)中的運動情況，用來驗證上述結(jié)論的科學(xué)性。在對固液兩相流的理論研究階段，早在上上個世紀，OBrien根據(jù)實驗的方法研究了混合物異物的大小對泵工作的影響，并說明了關(guān)于此種固液混合形態(tài)體離心泵內(nèi)的運動情況。與此同時，F(xiàn)airbank對此種固液混合形態(tài)體的自身屬性的研究，對其濃度、質(zhì)量比和容積等因素的離心泵對輸送固液混合物時關(guān)于離心泵揚程的方程進行了研究[3]。

中國國內(nèi)對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，中國經(jīng)歷了引入外國科學(xué)技術(shù)、融合國外技術(shù)和開發(fā)自主的技術(shù)方法這幾個重要時期。

優(yōu)化設(shè)計是以最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計算機軟件為手段，建立目標函數(shù)并在滿足各種約束條件下，尋找最優(yōu)設(shè)計方案，優(yōu)化設(shè)計也是是工程設(shè)計的重要問題之一[4]。在過去的水力機械優(yōu)化設(shè)計中，一方面僅僅只是針對離心泵葉片的翼型、葉柵進行參數(shù)優(yōu)化，而且實現(xiàn)優(yōu)化的過程很繁瑣準確性不高，另一方面對于離心泵內(nèi)部其他零部件的研究往往都是通過實驗手段，在其他參數(shù)不變的條件下改變其主要的幾何參數(shù)，然后在不同的流動條件下來研究水動力特性，取得全面系統(tǒng)的資料作為尋優(yōu)依據(jù)，這不僅受到實驗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。

隨著計算機技術(shù)的誕生和發(fā)展，20世紀后半葉，借助計算機技術(shù)和最優(yōu)化理論知識，開始從理論上求出葉片的最優(yōu)速度分布進行來葉柵設(shè)計。我國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量損失厚度最小為目標的優(yōu)化問題的泛函在任意可壓縮流動的任意回轉(zhuǎn)面上的應(yīng)用[5]，為現(xiàn)在的離心泵優(yōu)化設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)，從20世紀80年代中期開始，國內(nèi)外專家學(xué)者對離心泵優(yōu)化設(shè)計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。速度系數(shù)法即建立在對大量的優(yōu)秀的水力模型統(tǒng)計結(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)計也就是是對已有的水力模型和速度系數(shù)進行修正和完善。隨著計算機技術(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，并隨時可以吸收先進的模型，同時可以及時優(yōu)化各種系數(shù)。

（2）基于準則篩選法的優(yōu)化設(shè)計。準則篩選法是一種對離心泵葉輪內(nèi)流體流場機理分析的基礎(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。但該方法各項準則受到定性分析與經(jīng)驗參數(shù)的制約，同時也受到內(nèi)部流場測試水平的限制。

（3）基于CFD的優(yōu)化設(shè)計?；贑FD的優(yōu)化設(shè)計的一般思想是：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)，從而達到對對離心泵優(yōu)化設(shè)計的目的[6]。

2.發(fā)展趨勢

離心泵葉輪和蝸殼的內(nèi)部流動是三維湍流流動，然而三維湍流流動是流變學(xué)里面最為復(fù)雜的流動，古今中外概莫能外，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對其進行了長期研究。國外一些專家學(xué)者早在20世紀50年代初就開始嘗試使用數(shù)值計算方法來預(yù)測葉輪中的流動情況，受制于科學(xué)技術(shù)和實驗條件等因素進展緩慢，直到70年代后期隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展及計算流體力學(xué)軟件CFD的誕生，尤其是大量商用CFD軟件在離心泵內(nèi)流流場數(shù)值模擬上的應(yīng)用，離心泵的優(yōu)化設(shè)計取得了長足的進展，然而在實驗測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)流機理和特點，是現(xiàn)代泵技術(shù)進行葉輪和蝸殼造型、設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化的重要研究方法。

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

（1）構(gòu)建多個目標、多個參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計的各種計算模型；

（2）綜合考慮零件之間的匹配關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計對象逐步從單個過流部件到多個或整機；

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

（4）離心泵葉片型線的優(yōu)化設(shè)計研究，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)，包括計算機分析技術(shù)、智能化、自動化控制技術(shù)等得到了長足的發(fā)展，可以說，未來的離心泵參數(shù)優(yōu)化應(yīng)該是由計算機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。（作者單位：池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系）