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新技术给设计高效率泵带来曙光
类别:企业动态 | 时间:2012-03-05
泵是一种通用机械,也是人类发明最早的将自然转换成有用功的机械之一。曾经日本对泵的能源消耗进行了可信的统计,其结果表明泵在能源消耗方面出乎预料地占全国总发电量的1/4。泵在机电产品中数量仅次于电机的在国民经济中广泛应用的主要通用机电产品。 
    尽管如此,人们对泵内流动了解并不充分。或者说,人们还无法完全把握其流动规律。正如著名的天文学家开普勒所感慨的一样:看来研究星球的运动轨迹似乎比了解我们身边的水的运动规律和轨迹要简单的多。斯捷潘诺夫提出的泵进口流动符合最小阻力原理就在学术界争论了近半个世纪,至今仍然有关于泵进口流动的一些错误观点。
    泵现有的常用设计方法是(1)模型换算法,(2)速度系数法。这两种方法都是以现有成功经验为基础的一种借鉴方式的设计方法,往往难以实现现有模型和一些传统观念的束缚。
    在我国知名的流体动力专家吴仲华先生创立叶轮机械的三无流动理论之后,泵的三无流引起了研究者的重视并开始应用于泵的改进计算中。
    但是,泵的三元流动计算对几乎所有的泵制造厂的设计师们来说是高不可攀的。直到日新月异的计算机发展和研究者们的不断深入,计算机技术和流体力学相互结合一门新兴的科学―――CFD(计算流体动力学)的建立,同时一些软件公司在CFO领域中开发出功能强大的商用软件,这样即使设计人员对编程不很熟悉,也可以运用这些功能强大的商品软件,服务于液体的设计。三元流设计方法逐步进入水泵产品的实用阶段,给提升泵设计水平,生产高效率的泵类产品带来了曙光。
    CFD也叫流体的数值模拟,它是使用计算试验的方法来模拟真机或者模拟机组的流动情况,充分把握流体动力学的特性从而研究其性能及各种特性。可进行流体机械的开发设计、性能改善、环境预测,还可解释流体间复杂的湍流现象,模拟许多难以再现、测定困难的流动现象。
    CFD首先将实在的流体建立成数学模型(比如紊流模型、多相流模型、粘弹性流模型等),并用微分方程式和辅助的方程式进行表示,再用数值计算方法将这些方程式改写成计算机能识别的代数方程式,这些计算方法包括:差分法、有限元素法、境界积分法、矢量法、涡法等等,根据具体方程的不同特点,采用不同的计算方法。经过此阶段,微分方程式转变为可以反复运算的单纯的四则运算问题。接着用计算机来进行计算得到计算结果。这种设计方法不仅可以大大的缩短泵的设计周期,而且可以减少泵的试验次数,从而大大的降低研发和生产的成本。
    现在主流的CFD软件有FLUENT、START-CD、PHOENICS、FLOWTAX等。我国越来越多专家学者们开始从事CFD研究并取得了可喜的成绩。下图是清华大学的唐辉、何枫利用FLUENT软件对离心泵内流场进行了数值模拟研究的结果。随着CFD的不断深入和软件易用化,CFD必将给泵设计效果带来一次飞跃。
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