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新技術為設計高效率泵帶來曙光

2016-09-19

泵是一種通用機械,也是人類發明最早的將自然轉換成有用功的機械之一。曾經日本對泵的能源消耗進行了可信的統計,其結果表明泵在能源消耗方面出乎預料地占全國總發電量的1/4。泵在機電產品中數量僅次于電機的在國民經濟中廣泛應用的主要通用機電產品。?

盡管如此,人們對泵內流動了解并不充分?;蛘哒f,人們還無法完全把握其流動規律。正如著名的天文學家開普勒所感慨的一樣:看來研究星球的運動軌跡似乎比了解我們身邊的水的運動規律和軌跡要簡單的多。斯捷潘諾夫提出的泵進口流動符合最小阻力原理就在學術界爭論了近半個世紀,至今仍然有關于泵進口流動的一些錯誤觀點。?

泵現有的常用設計方法是(1)模型換算法,(2)速度系數法。這兩種方法都是以現有成功經驗為基礎的一種借鑒方式的設計方法,往往難以實現現有模型和一些傳統觀念的束縛。?

在我國知名的流體動力專家吳仲華先生創立葉輪機械的三無流動理論之后,泵的三無流引起了研究者的重視并開始應用于泵的改進計算中。 但是,泵的三元流動計算對幾乎所有的泵制造廠的設計師們來說是高不可攀的。直到日新月異的計算機發展和研究者們的不斷深入,計算機技術和流體力學相互結合一門新興的科學―――CFD(計算流體動力學)的建立,同時一些軟件公司在CFO領域中開發出功能強大的商用軟件,這樣即使設計人員對編程不很熟悉,也可以運用這些功能強大的商品軟件,服務于液體的設計。

三元流設計方法逐步進入水泵產品的實用階段,給提升泵設計水平、生產高效率的泵類產品帶來了曙光。 CFD也叫流體的數值模擬,它是使用計算試驗的方法來模擬真機或者模擬機組的流動情況,充分把握流體動力學的特性從而研究其性能及各種特性??蛇M行流體機械的開發設計、性能改善、環境預測,還可解釋流體間復雜的湍流現象,模擬許多難以再現、測定困難的流動現象。?

CFD首先將實在的流體建立成數學模型(比如紊流模型、多相流模型、粘彈性流模型等),并用微分方程式和輔助的方程式進行表示,再用數值計算方法將這些方程式改寫成計算機能識別的代數方程式,這些計算方法包括:差分法、有限元素法、境界積分法、矢量法、渦法等等,根據具體方程的不同特點,采用不同的計算方法。經過此階段,微分方程式轉變為可以反復運算的單純的四則運算問題,接著用計算機來進行計算得到計算結果。

這種設計方法不僅可以大大的縮短泵的設計周期,而且可以減少泵的試驗次數,從而大大的降低研發和生產的成本。 現在主流的CFD軟件有FLUENT、START-CD、PHOENICS、FLOWTAX等。我國越來越多專家學者們開始從事CFD研究并取得了可喜的成績。隨著CFD的不斷深入和軟件易用化,CFD必將給泵設計效果帶來一次飛躍。

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