第1章 绪论

1.1 研究背景

泵是重要的能量转换装置和流体输送设备，其中离心泵应用最为广泛，约占泵类设备总量的70%^[1]。离心泵不仅应用在石油、化工、水利、灌溉等工农业领域，而且是核电、航空、舰船和潜艇等高技术领域的关键设备。

离心泵设备正向高速化、大型化和大功率化的方向发展，越来越多的离心泵需要在高温高压等恶劣工况下运转，因此离心泵的可靠性问题越来越受到人们的重视^[2]。例如，国外已经研制成功了1.8MW发电机组的给水泵，驱动功率达到55147kW，锅炉给水泵的驱动功率已经接近60000kW，水泵压力已经达到25.6～29.4MPa，且有向更高压力发展的趋势。国内离心式锅炉给水泵的驱动功率目前也达到了55000kW，转速已经提高到7500r/min，扬程已经可达1100m^[3]。同时，应用在国防军事、航空航天、核能发电以及石油化工等领域的离心泵设备更是需要绝对可靠地稳定运行，因此，离心泵可靠性问题在很多尖端技术领域是重中之重。离心泵的设计者会在考虑提高离心泵的运行效率之前，首先保障其运行的可靠性。

离心泵运行过程中伴随的振动现象，一直是其稳定运行的最重要威胁之一。在存在声音传播介质的条件下，振动会引起噪声的传播。对于隐秘性极高的舰船、潜艇等国防装备，有效避免振动的发生进而提高其隐蔽特性的意义是不言而喻的。早期，因为人们对离心泵的振动问题认识不够全面，仅能从离心泵的结构本身以及制造加工问题入手分析。随着制造加工技术的不断发展，改进的加工工艺被不断地应用在高端离心泵制造过程中，但仍无法避免严重的离心泵振动问题，这让科研和工程技术人员开始认识到，离心泵内部复杂的非定常流动是诱导其产生振动的更深层次的原因。

目前，离心泵瞬态水力激振问题是国内外工程技术领域研究的热点和难点，其主要需关注两个方面：

1）离心泵内部复杂非定常流动的不稳定现象。

2）瞬态不稳定流动与振动结构间的相互作用关系以及能量的传递机理，即水力激振流固耦合问题。

这两方面问题相互联系、相互影响，研究过程中需要同时考虑，缺一不可。早期的研究工作往往把离心泵内部非定常流动研究与其部件结构振动特性研究分开单独考虑，这就忽略了流场与结构场之间瞬时的相互作用，与实际的物理问题存在差距。随着三维粘性非定常流动及流固耦合力学问题在理论推导、模型建立以及求解方法等诸多方面的研究工作日趋深入，以及流动和振动测量技术的快速发展，使得考虑离心泵内部流场与结构场相互作用的瞬态水力激振研究成为了可能。

目前，对于离心泵内部非定常流动机理的研究还不完善，非定常流动现象与振动结构间的耦合激振作用机理研究也处于起步阶段。因此，研究离心泵瞬态水力激振特性及其流固耦合规律，具有很高的理论价值和广阔的应用前景，特别是在可靠性及振动指标要求苛刻的极端工况应用场合，例如核电、航空航天、锅炉给水、化工等领域。相关研究可以为揭示离心泵内部流固耦合作用的规律提供依据，为更准确地获得水力激振现象中流场和结构场特性提供帮助，并最终能够指导低压力脉动、低振动噪声离心泵的优化设计^[4]。