1.3 離心泵主流場流體激勵力研究現狀

在離心泵內部主流道流體激勵力的研究主要關注離心泵內部三維非定常流動的不穩定現象以及不穩定流動與離心泵結構間的相互作用規律和兩者之間能量的傳遞機理。流體激勵對離心泵的振動具有顯著的影響，而由于離心泵葉輪與蝸殼幾何形狀的復雜性與流動的工作介質，對其機理的研究相對于固體結構的振動而言更加困難。而葉輪內部流場流固耦合所造成的葉輪流體激勵力主要是指在相對運動的葉輪與蝸殼的間隙中，由于流體動量以及流體與葉片、蝸殼等的流固耦合作用而產生的流體力。要研究離心泵葉輪轉子系統的振動特性，首先必須分析葉輪周圍的非定常流場，并求出葉輪在流場中的受力情況，為離心泵的振動分析以及動力學特性做好理論基礎。

早在20世紀70年代初，就已開展對葉輪所受徑向流體力的研究^[161]。研究主要集中于離心泵內壓力脈動特性、葉輪-轉子-支撐系統流體激勵力作用下的振動分析、汽蝕對離心泵振動的影響、流體激勵作用下離心泵振動的穩定性分析、基于減小流體激勵的離心泵結構設計、對離心泵流體激勵的振動監測^[162]、人體內離心血泵的減振研究^[163-166]、不同工作介質對離心泵振動的影響^[167]等。隨著實驗手段的提高，研究人員對于徑向流體力進行了大量的實驗研究^[168-172]。Yoshida等人^[173]通過改變葉片角度、葉片間距以及葉輪偏心對不平衡流體力進行了實驗研究，研究發現，流體動力的幅值隨著葉輪偏差程度的增加而變大，不平衡流體力與流體流量密切相關，而質量偏心所引起的不平衡力與流體流量無關。Colding-Jorgensen數值計算了二維葉輪，在計算中對流體做出無黏、不可壓縮假設，同時采用奇異勢流理論計算得到了剛度系數和阻尼系數，在此基礎上建立葉輪流固耦合力學模型，研究發現，流體附加作用力會造成葉輪轉子穩定性的下降^[174]。Tsujimoto等在研究二維離心葉輪渦動現象時考慮了蝸殼和脫流旋渦對葉輪周圍流體的影響，研究得到了非定常流體的動力附加作用力^[175]。Adkins對離心葉輪進行動力學特性研究，得到了剛度系數、阻尼系數、慣性系數，在此基礎上提出了葉輪流固耦合作用力模型^[176]。Brennen對葉輪受到的流體附加作用力進行理論和實驗研究，研究發現，葉輪前蓋板所受到的流固耦合力對葉輪的影響在總流體附加作用力中占比最大^[177]。Childs提出了葉輪前蓋板流固耦合作用力模型，同時，利用Bulk-Flow理論推導了葉輪前蓋板泄漏流的流體控制方程，并對流體控制方程進行擾動分析，研究得到了剛度系數、阻尼系數以及慣性系數^[178]。Guinzburg等研究了三種不同泄漏流通道間隙、不同泄漏流量和不同葉輪偏心率對流體激勵力的影響^[158]。Yun Hsu以及Brennen在此基礎上研究了不同泄漏流通道、不同入口渦動率對葉輪前蓋板流體附加作用力的影響^[179,180]。Childs建立了葉輪轉子系統中葉輪前蓋板、葉輪后蓋板等的間隙流流體控制方程，得到了動態特性系數和流體附加作用力模型，并將理論分析與實驗數據進行了對比^[181]。

20世紀末期，隨著計算機技術的發展以及技術水平的進一步提高，研究人員通過數值計算與實驗定量分析了葉輪蝸殼間隙變化所引起的葉輪徑向流體力的變化^[182,183]。Moore在求解葉輪前側蓋板流固耦合作用力時首次采用了計算流體動力學方法^[184]。Benra等結合CFD軟件和有限元計算軟件，對某臺單葉片無堵塞離心泵的內部流動和泵轉子系統之間采用單向耦合和雙向耦合計算方法，研究了泵轉子振動位移和所受的水力激勵，對比分析兩種耦合方法對計算結果的影響^[185]；同時，利用電渦量位移傳感器測量了轉子系統的水力激振位移；對比分析實驗數據與數值計算結果，發現計算得到的流體激勵力以及轉子振動位移均大于實驗測得值，并且雙向耦合結果更接近實驗值。Campbell等建立了適用于泵葉片流體激振變形的流固耦合求解方法，并對一個典型渦輪葉片進行了定常流固耦合計算和水洞實驗分析，兩者結果吻合較好^[186]。Muench等對一個由非定常湍流誘導振動的NACA翼型進行了流固耦合計算，結果與理論分析和實驗值吻合較好，并提出該流固耦合算法可以擴展到渦輪機械葉片的流固耦合分析方面^[187]。Jiang等采用大渦模擬計算了泵的內部流場，利用有限元程序計算泵部件的瞬態動力學特性，以葉輪內表面壓力脈動作為邊界條件，計算并分析了泵殼的流體誘導振動特性^[188]。國內，裴吉應用在單葉片離心泵上所建立的流固耦合計算方法對某臺普通離心泵的轉子-流場耦合系統進行了瞬態流固耦合計算^[189]。何希杰等研究了離心泵水力設計對振動的影響。吳仁榮和黃國富等分析了基于離心泵低振動噪聲的水力設計方法，同時提出了幾種水力設計原則以減小離心泵的流體激振問題^[190-192]。倪永燕利用商業CFD計算軟件對某臺離心泵進行了全流道非定常數值計算，分析了離心泵內葉輪與蝸殼之間的動靜干涉作用對泵內壓力脈動以及流體激振的影響^[193]。葉建平研究了離心泵蝸殼所受的徑向力變化規律，在僅考慮蝸殼徑向力的作用下，計算得到了離心泵的振動響應，并分析了該振動的輻射聲場^[194]。Xu等對某導葉式離心泵進行了雙向流固耦合方法，分析了離心泵的外特性和內流場，研究了流固耦合作用對離心泵外特性的作用規律^[195]。王洋等在分析離心泵沖壓焊接葉輪的強度時采用了單向流固耦合計算，研究表明，小流量工況下，離心泵葉輪的可靠性較其他運行工況更差，應盡量避免泵在小流量運行^[196]。竇唯等利用三維非定常流動計算，分析了高速泵內的壓力分布，得到了作用于高速泵葉輪上的穩態徑向力以及脈動徑向力，研究了流體激勵力對葉輪轉子系統振動及轉子軸心軌跡的影響^[197,198]。蔣愛華對離心泵葉輪轉動過程中的瞬態內流場進行了數值計算，得到了作用在蝸殼內表面三個方向上的流體激勵合力，同時利用九次多項式擬合、傅里葉級數以及分段多項式擬合，得到了葉輪單周轉動各向流體合力數學模型^[199-201]。結果表明：蝸殼所受出口方向、進口方向與垂直于進出口方向的流體激勵力以葉頻為基頻波動，且波動幅值依次減小，波谷均出現于葉片掃掠蝸舌時；采用三段多項式擬合所建的數學模型與原始波形有最小的偏差，并且具有較低階次。袁振偉等利用流固耦合計算得到的薄葉輪和圓柱體單獨在流體中分別做平移和轉角振動時受到的流體阻力公式，建立了轉子葉輪和軸段在流體中的單元運動方程，同時將轉子所受的流體力加載到轉子系統運動方程中，獲得了考慮流體作用的轉子動力學有限元模型^[202]。胡朋志根據非定常不可壓縮勢流理論求解得到了葉輪所受的流體激勵力，同時以非線性油膜力為激勵源研究了轉子系統動力學特性和分岔特性^[203]，結果表明，葉輪轉子系統的穩定性會受到質量偏心和軸承間隙的影響。為了研究橫向流體激勵力以及轉子故障對葉輪轉子系統非線性動力學特性的影響，李同杰建立了故障葉輪轉子系統非線性動力學模型，并采用了處理非線性動力學問題的數值方法^[204]。唐云冰等針對葉輪偏心引起的氣流激勵力對轉子系統穩定性的影響進行了深入研究，在此基礎上發展了系統失穩門檻值的計算方法，同時還研究了葉輪偏心所引起的轉子失穩的機理和特點^[205]。在研究離心泵葉輪前蓋板泄漏流通道時，蔣慶磊等將其簡化成錐形結構，并利用CFD軟件對內部流場進行研究，得到了流體激勵力，將該激勵力代入轉子系統方程，通過耦合法計算得到轉子的不平衡響應^[160]。張妍深入研究了葉輪前蓋板流固耦合動力學特性，分析了葉輪前蓋板的軸向長度、傾斜角度、轉子偏心率以及泄漏流通道平均間隙等幾何參數對壓力、速度分布的影響，計算得到了葉輪前蓋板的慣性、阻尼以及剛度系數^[206]。