1.3 离心泵主流场流体激励力研究现状
在离心泵内部主流道流体激励力的研究主要关注离心泵内部三维非定常流动的不稳定现象以及不稳定流动与离心泵结构间的相互作用规律和两者之间能量的传递机理。流体激励对离心泵的振动具有显著的影响，而由于离心泵叶轮与蜗壳几何形状的复杂性与流动的工作介质，对其机理的研究相对于固体结构的振动而言更加困难。而叶轮内部流场流固耦合所造成的叶轮流体激励力主要是指在相对运动的叶轮与蜗壳的间隙中，由于流体动量以及流体与叶片、蜗壳等的流固耦合作用而产生的流体力。要研究离心泵叶轮转子系统的振动特性，首先必须分析叶轮周围的非定常流场，并求出叶轮在流场中的受力情况，为离心泵的振动分析以及动力学特性做好理论基础。
早在20世纪70年代初，就已开展对叶轮所受径向流体力的研究[161]。研究主要集中于离心泵内压力脉动特性、叶轮-转子-支撑系统流体激励力作用下的振动分析、汽蚀对离心泵振动的影响、流体激励作用下离心泵振动的稳定性分析、基于减小流体激励的离心泵结构设计、对离心泵流体激励的振动监测[162]、人体内离心血泵的减振研究[163-166]、不同工作介质对离心泵振动的影响[167]等。随着实验手段的提高，研究人员对于径向流体力进行了大量的实验研究[168-172]。Yoshida等人[173]通过改变叶片角度、叶片间距以及叶轮偏心对不平衡流体力进行了实验研究，研究发现，流体动力的幅值随着叶轮偏差程度的增加而变大，不平衡流体力与流体流量密切相关，而质量偏心所引起的不平衡力与流体流量无关。Colding-Jorgensen数值计算了二维叶轮，在计算中对流体做出无黏、不可压缩假设，同时采用奇异势流理论计算得到了刚度系数和阻尼系数，在此基础上建立叶轮流固耦合力学模型，研究发现，流体附加作用力会造成叶轮转子稳定性的下降[174]。Tsujimoto等在研究二维离心叶轮涡动现象时考虑了蜗壳和脱流旋涡对叶轮周围流体的影响，研究得到了非定常流体的动力附加作用力[175]。Adkins对离心叶轮进行动力学特性研究，得到了刚度系数、阻尼系数、惯性系数，在此基础上提出了叶轮流固耦合作用力模型[176]。Brennen对叶轮受到的流体附加作用力进行理论和实验研究，研究发现，叶轮前盖板所受到的流固耦合力对叶轮的影响在总流体附加作用力中占比最大[177]。Childs提出了叶轮前盖板流固耦合作用力模型，同时，利用Bulk-Flow理论推导了叶轮前盖板泄漏流的流体控制方程，并对流体控制方程进行扰动分析，研究得到了刚度系数、阻尼系数以及惯性系数[178]。Guinzburg等研究了三种不同泄漏流通道间隙、不同泄漏流量和不同叶轮偏心率对流体激励力的影响[158]。Yun Hsu以及Brennen在此基础上研究了不同泄漏流通道、不同入口涡动率对叶轮前盖板流体附加作用力的影响[179,180]。Childs建立了叶轮转子系统中叶轮前盖板、叶轮后盖板等的间隙流流体控制方程，得到了动态特性系数和流体附加作用力模型，并将理论分析与实验数据进行了对比[181]。
20世纪末期，随着计算机技术的发展以及技术水平的进一步提高，研究人员通过数值计算与实验定量分析了叶轮蜗壳间隙变化所引起的叶轮径向流体力的变化[182,183]。Moore在求解叶轮前侧盖板流固耦合作用力时首次采用了计算流体动力学方法[184]。Benra等结合CFD软件和有限元计算软件，对某台单叶片无堵塞离心泵的内部流动和泵转子系统之间采用单向耦合和双向耦合计算方法，研究了泵转子振动位移和所受的水力激励，对比分析两种耦合方法对计算结果的影响[185]；同时，利用电涡量位移传感器测量了转子系统的水力激振位移；对比分析实验数据与数值计算结果，发现计算得到的流体激励力以及转子振动位移均大于实验测得值，并且双向耦合结果更接近实验值。Campbell等建立了适用于泵叶片流体激振变形的流固耦合求解方法，并对一个典型涡轮叶片进行了定常流固耦合计算和水洞实验分析，两者结果吻合较好[186]。Muench等对一个由非定常湍流诱导振动的NACA翼型进行了流固耦合计算，结果与理论分析和实验值吻合较好，并提出该流固耦合算法可以扩展到涡轮机械叶片的流固耦合分析方面[187]。Jiang等采用大涡模拟计算了泵的内部流场，利用有限元程序计算泵部件的瞬态动力学特性，以叶轮内表面压力脉动作为边界条件，计算并分析了泵壳的流体诱导振动特性[188]。国内，裴吉应用在单叶片离心泵上所建立的流固耦合计算方法对某台普通离心泵的转子-流场耦合系统进行了瞬态流固耦合计算[189]。何希杰等研究了离心泵水力设计对振动的影响。吴仁荣和黄国富等分析了基于离心泵低振动噪声的水力设计方法，同时提出了几种水力设计原则以减小离心泵的流体激振问题[190-192]。倪永燕利用商业CFD计算软件对某台离心泵进行了全流道非定常数值计算，分析了离心泵内叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用对泵内压力脉动以及流体激振的影响[193]。叶建平研究了离心泵蜗壳所受的径向力变化规律，在仅考虑蜗壳径向力的作用下，计算得到了离心泵的振动响应，并分析了该振动的辐射声场[194]。Xu等对某导叶式离心泵进行了双向流固耦合方法，分析了离心泵的外特性和内流场，研究了流固耦合作用对离心泵外特性的作用规律[195]。王洋等在分析离心泵冲压焊接叶轮的强度时采用了单向流固耦合计算，研究表明，小流量工况下，离心泵叶轮的可靠性较其他运行工况更差，应尽量避免泵在小流量运行[196]。窦唯等利用三维非定常流动计算，分析了高速泵内的压力分布，得到了作用于高速泵叶轮上的稳态径向力以及脉动径向力，研究了流体激励力对叶轮转子系统振动及转子轴心轨迹的影响[197,198]。蒋爱华对离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场进行了数值计算，得到了作用在蜗壳内表面三个方向上的流体激励合力，同时利用九次多项式拟合、傅里叶级数以及分段多项式拟合，得到了叶轮单周转动各向流体合力数学模型[199-201]。结果表明：蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶频为基频波动，且波动幅值依次减小，波谷均出现于叶片扫掠蜗舌时；采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差，并且具有较低阶次。袁振伟等利用流固耦合计算得到的薄叶轮和圆柱体单独在流体中分别做平移和转角振动时受到的流体阻力公式，建立了转子叶轮和轴段在流体中的单元运动方程，同时将转子所受的流体力加载到转子系统运动方程中，获得了考虑流体作用的转子动力学有限元模型[202]。胡朋志根据非定常不可压缩势流理论求解得到了叶轮所受的流体激励力，同时以非线性油膜力为激励源研究了转子系统动力学特性和分岔特性[203]，结果表明，叶轮转子系统的稳定性会受到质量偏心和轴承间隙的影响。为了研究橫向流体激励力以及转子故障对叶轮转子系统非线性动力学特性的影响，李同杰建立了故障叶轮转子系统非线性动力学模型，并采用了处理非线性动力学问题的数值方法[204]。唐云冰等针对叶轮偏心引起的气流激励力对转子系统稳定性的影响进行了深入研究，在此基础上发展了系统失稳门槛值的计算方法，同时还研究了叶轮偏心所引起的转子失稳的机理和特点[205]。在研究离心泵叶轮前盖板泄漏流通道时，蒋庆磊等将其简化成锥形结构，并利用CFD软件对内部流场进行研究，得到了流体激励力，将该激励力代入转子系统方程，通过耦合法计算得到转子的不平衡响应[160]。张妍深入研究了叶轮前盖板流固耦合动力学特性，分析了叶轮前盖板的轴向长度、倾斜角度、转子偏心率以及泄漏流通道平均间隙等几何参数对压力、速度分布的影响，计算得到了叶轮前盖板的惯性、阻尼以及刚度系数[206]。