流体驱动旋转装备应用与数值模拟方法研究进展

徐涵卓，刘志浩，孙宝昌，张亮亮，邹海魁，罗勇，初广文

（北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京 100029）

流体驱动旋转装备是指以流体为工作介质与能量载体，在工作过程中将流体能量转换为机械能的一类机械装备。按照能量转换方式，可分为转换流体动能为主的冲击式流体驱动旋转装备与转换流体势能为主的反击式流体驱动旋转装备。流体驱动旋转装备在能源工程中应用广泛，以汽轮机和水轮机为代表的装备承担了现代电力工业中绝大部分发电量。

在水轮机等传统流体驱动旋转装备的启发之下，以转子为核心，通过流体驱动的旋转装备不断涌现，其应用领域也得到了进一步拓展，逐步与海水淡化、制冷、混合、测速等多种过程结合。同时，随着计算流体力学的发展，流体驱动旋转装备得到了更深入的研究，展现出更广阔的应用前景。本文重点综述了流体驱动旋转装备在能源工程、化学工程等领域的应用，探究了数值模拟在流体驱动旋转装备中的研究进展，对比了不同模拟方法，最后展望了流体驱动旋转技术在超重力装备中的应用前景。

1 流体驱动旋转装备应用

流体驱动旋转装备能够实现能量转换与回收，具有代表性的应用领域如图1所示。其应用主要集中于能源工程领域、化学工程领域及开采等其他领域，本文将按流体驱动旋转装备应用领域对其发展进行综述。

图1 流体驱动旋转装备代表性应用领域

1.1 能源工程

在能源工程领域，以水轮机、风力机、波能转换装备为代表的流体驱动旋转装备在能量转换发电中发挥着重要作用。其中水轮机因其结构多样，在多个领域衍生出独特的应用形式，对后续流体驱动旋转装备的发展起到了很好的借鉴作用。

1.1.1 水轮机及其衍生装备

水轮机是水能发电的核心装备，根据能量转换形式可分为反击式水轮机及冲击式水轮机。它们分别将水流的压力能和动能转化为转子机械能。其结构经过不断的改进、完善，逐渐形成了现代水轮机体系，如表1所示。现代常用水轮机有卡普兰水轮机、弗朗西斯水轮机以及佩尔顿水轮机，分别适用于低水头（2～30m）、中水头（30～100m）及高水头（>100m）的情况，其效率通常在90%以上，而对于超低水头工况水轮机，其效率较低，在60%～80%，并且水轮机及其安装成本占总施工成本的35%～40%，与其发电量相比成本偏高，限制了超低水头水轮机的实际应用。轻量化叶轮的发展为解决以上问题提供了新的思路。

表1 水轮机分类、结构及特点

除了应用于水能发电，水轮机已发展出了一些跨领域应用。张飞狂提出了一种“免风机电机”水力取风冷却塔，该塔采用贯流式水轮机驱动风叶，用水轮机代替风机电机，与传统冷却塔相比，该塔具有节能、安全高效等优点。在原有水轮机的基础上，设计出了针对冷却塔工况的水轮机，进一步提高了冷却塔的性能。

除此之外，在船舶及消防除烟防爆抽取危险高温烟气方面，采用水轮机代替电机驱动风机可以在无电环境下将危险区域的高温有毒烟气抽出，降低二次灾害风险，其结构如图2所示。在深层矿井热害治理方面，为充分利用水能，卢宇鹏等发明了一种基于斜击式水轮机的水力通风换热机，解决了输水管道静压过高的问题，减少了对高低压转换装置的投资。

图2 水轮风机结构[20]

以水轮机为核心的一系列衍生装备在能量转换及替代电机方面都展现出较好的应用前景。但在应用过程中，衍生装备大多直接选用已有水轮机，没有根据不同工况进行专业设计，因此存在着效率较低等问题。

1.1.2 风力机

风能作为重要的能源，常用于风力发电，其核心装备是风力机。与水轮机相比，风力机种类相对较少，不同风力机原理类似，即通过不同方向来风驱动风力机叶片旋转，实现能量转换。风力机按结构可以分为水平轴风力机、垂直轴风力机及横轴风力机。垂直轴风力机效率低于水平轴风力机，但其更适合在低风速等不利的情况下运行。为提高风力机效率及改善自启动性能，兼具水平叶片及垂直叶片的横轴风力机被提出，由于水平叶片及垂直叶片的存在，使其可以捕获水平来风及垂直来风的能量。图3 展示了三种不同风机结构差异及其对不同方向来风捕获情况。

图3 海上水平轴风力机、垂直轴风力机、横轴风力机的应用[31]

风力机启动过程存在动态失速问题，为解决该问题，仿生风力机叶片在近些年得到了关注，如图4所示。其功角可以根据来风自动调节，具有良好的自启动性能。而仿生叶片的提出与运用也可为其他流体驱动旋转装备叶片设计提供新思路。

图4 不同种类仿生叶片

1.1.3 波能转换装备

波浪能作为海洋能源中一种重要形式，其捕集转换已在不同流体驱动旋转装备的参与下得到了广泛研究与应用。根据工作原理不同，可将捕集转换波浪能的波能转换装备分为振荡水柱装备、振荡浮子装备和漫顶装备。其中振荡水柱装备及漫顶装备都是通过涡轮实现能量转换。振荡水柱装备的原理如图5 所示，海面波浪起伏使振荡水柱装备内部空腔体积发生变化，使空气被吸入或压出装备，在此过程中流动空气驱动涡轮实现发电。在振荡水柱装备中，空气涡轮启动过程存在着与垂直轴风力机类似的动态失速问题，常通过减缓失速的方法来优化其性能。漫顶装备原理如图6所示，波浪经过漫顶装备时一部分水被存储在高于海平面的储层，后通过低水头水轮机将水的势能转化进行发电。

图5 振荡水柱装置示意图[37]

图6 漫顶装置[38]

传统波能转换装备只被当作单纯的发电装备，由于波能转换装备能够产生高压海水，而高压海水可以通过反渗透法产生淡水，因此近些年来研究者将波能转换装备与反渗透法结合，实现了波浪能转换与海水淡化相结合的应用。

1.2 化学工程

流体驱动旋转装备在化学工程中主要起能量回收作用，如液力透平。此外，兼具能量回收与制冷作用的涡轮膨胀机以及用于混合的旋转射流搅拌器也得到了研究与应用。

1.2.1 液力透平

液力透平是以高压流体作为工作介质进行能量转换的一种流体驱动旋转装备，主要形式为泵反转，原理如图7 所示。离心泵、垂直轴泵、混流式泵和冲击式泵在泵反转作透平方面都有应用案例。由于研究较早，液力透平技术被应用于大多数压力能回收过程，如石油、化工生产、深部矿体开采和反渗透海水淡化。除此之外，与传统水轮机相比，相同工况下泵价格仅为其50%左右，极大地节约了成本，且配件容易获取，因此在小型水力资源利用方面液力透平比水轮机更具优势。

图7 泵（混流泵）反转作透平工作原理[50]

液力透平在得到广泛应用的同时，仍存在一定的问题。如缺少流量控制系统使液力透平在运行过程中很难达到最佳设计点，而其在非设计工况下运行效果不佳，且液力透平选择方法及性能曲线的预测不够成熟，预测结果与实验结果误差在±20%左右。针对上述问题，研究人员提出了可变操作策略方法，其核心是获得液力透平流量与转速之间的关系，形成数据库，并拟合获得最佳性能曲线。该方法的提出有望解决液力透平现存的问题。

1.2.2 透平膨胀机

透平膨胀机是一种利用高压气体作为动力源驱动涡轮旋转，在气体绝热等熵做功膨胀过程中获得低温制冷功效的流体驱动旋转装备，在空气分离、天然气液化、氢氦液化制冷等领域发挥着重要作用。

根据涡轮形式不同，透平膨胀机可分为轴流式、径流式及径-轴流式，图8 展示了不同涡轮结构。轴流式透平膨胀机处理气量大，多用于大功率气体冷却系统，其功率范围通常在500kW 以上。与轴流式相比，径流式透平膨胀机膨胀比高、效率高、运行稳定，更适用于低功率工作范围（50～500kW）。径-轴流式透平膨胀机具有比焓降大、转速高、结构简单、热效率高等特点，在空气分离等低温装备中得到了广泛的应用。

图8 透平膨胀机涡轮三维模型

除了在制冷方面的应用，透平膨胀机在石油化工等多领域中也被作为能量回收装备来回收二次能源。在天然气运输过程中，为使天然气满足用气压力，需通过天然气调压站降低气流压力，压力调节器带来的压降伴随着能量耗散，引起了不可逆的能量损失。透平膨胀机的使用可回收这部分能量用于发电。此外，工厂中压力能常浪费在节流设备压力流量调节上，近年来透平膨胀机逐渐取代节流阀，从而既能控制压力又能回收能量。

1.2.3 旋转射流混合器

旋转射流混合器是流体驱动旋转与搅拌混合相结合的一种应用形式，常用在大型储罐中防杂质沉积。旋转射流混合器由叶轮、喷嘴、减速箱等部件组成，如图9所示，储罐内泵加压后输出的流体高速喷射到叶轮上促使叶轮发生转动，叶轮通过减速箱带动喷嘴外壳缓慢旋转，转速通常在0.001～0.1r/min 以延长射流对储罐内沉积杂质剪切时间，实现全方位搅拌混合效果。旋转射流混合器的应用避免了传统电机驱动搅拌方式带来的密封困难、耗电量大及存在安全隐患等问题，且与侧向射流混合器相比混合更全面。但若喷嘴旋转过快，会降低对沉积物的冲击、搅拌效果。因此，减速比是评判旋转射流混合器性能的重要指标。由于国内旋转射流混合器研究起步较晚，其性能仍有较大提升空间。

图9 旋转喷射混合器实物图[67]

1.3 其他

在油气开采领域，流体驱动旋转装备以涡轮钻具的形式得到了应用。涡轮钻具是一种结构特殊的井下动力钻具，其原理是利用钻井泵打出的高压钻井液驱动涡轮旋转，带动钻头高速转动实现打井功能。图10展示了涡轮钻具的整体结构，其核心部分为涡轮主体区域，涡轮主体部分由子涡轮组成并通过增加涡轮级数来提高输出功率，部分涡轮钻具可增至100 级以上。每级涡轮上又有多个静叶片和动叶片。随着各种新型结构的出现，涡轮钻具凭借其转速高、操作扭矩大的优点在石油、天然气钻井工程中发挥着越来越大的作用。

图10 典型涡轮钻具结构示意图[75]

在测速领域，通过流体驱动涡轮旋转得到与流速相关输出信号的涡轮流量计是一种高精度测量仪器，其两种结构示意图如图11 所示。与涡轮流量计原理类似的测速涡轮在高速运动物体测速领域也发挥了巨大的作用。

图11 涡轮流量计结构

除此之外，与高速水射流技术结合的流体驱动旋转装备在反冲洗过滤领域得到了应用。张宏等提出了一种基于多孔射流的反冲洗过滤器，通过高速水射流驱动滤芯旋转，使滤芯外表面均匀经受多孔射流打击力作用，从而使滤饼杂质破碎。同时滤芯旋转产生的离心力也有助于滤饼从滤芯基体表面脱落，实现了高效清洗过滤器的功能。

综上所述，流体驱动旋转装备已在不同领域得到了应用，但各领域研究进展相差较大。传统水轮机、风力机等装备性能曲线预测成熟，效率较高，而新发展的流体驱动旋转装备则存在着一些问题。将各装备存在问题及优化方法或解决方案总结见表2。

表2 流体驱动旋转装备存在的问题及优化方法/解决方案

2 流体驱动旋转装备数值模拟方法

流体驱动旋转装备的传统研究过程大多以经验设计和模型试验验证为主，随着计算流体力学的发展，数值模拟成为了流体驱动旋转装备结构设计及优化的新途径。与试验方法相比，数值模拟方法降低了成本，缩短了设计周期，使结构优化设计更为便捷，有助于提升流体驱动旋转装备的综合性能。根据转速给定方式的不同，数值模拟方法可分为主动旋转模拟方法及被动旋转模拟方法。

2.1 主动旋转模拟方法

流体驱动旋转装备在运行过程中存在转速上升的启动阶段及转速相对不变的稳定阶段。主动旋转模拟方法通常用于研究流体驱动旋转装备在特定转速或转速稳定阶段下的性能。在研究能量损失、预测装备效率等方面主动旋转模拟都被证实与试验结果有较高的吻合度。以冲击式水轮机为例，Aaraj等在给定叶轮转速为3000r/min 的情况下，模拟了不同半径冲击式水轮机的气动损失，模拟值与经验关联式吻合较好。Zeng等在转速500r/min的情况下，建立了如图12 所示的模拟模型，对佩尔顿水轮机进行全流道模拟，其水力效率模拟结果与试验误差在2%之内。Cui等通过改变转速预测装备效率得到的模拟结果与试验数据相匹配。

图12 四喷嘴冲击式水轮机模拟结果[90]

在结构优化方面，Sengpanich 等建立了离心泵作冲击式液力透平模型优化射流入口位置（如图13所示），在转速为750r/min和1500r/min时数值模拟结果表明，最优射流冲击角度分别为30°和38.5°；Liu 等在15000r/min 的工况下对透平膨胀机导叶及叶轮结构进行优化，使叶轮流道内流动更平稳。

图13 不同转速下流体冲击离心泵叶轮[45]

由于流体驱动旋转装备运动实质是一种被动运动，当采用主动转速模拟方法时，流体流动与叶片之间的相互作用被忽略。为获得与实际试验更为接近的流场信息，由流体驱动的被动旋转模拟方法被提出并得到了关注与研究。

2.2 被动旋转模拟方法

被动旋转模拟方法（或称为流体驱动模拟方法）常应用于垂直轴风机、冲击式水轮机等流体驱动旋转装备的启动过程研究，并为解决启动过程动态失速问题提供了新途径。

Untaroiu 等采用被动旋转模拟方法，研究垂直轴风机自启动性能。风机启动过程中转速实验值与模拟值误差在12%以内，表明二维流体驱动旋转模型可以较为准确地预测垂直轴风力机的运行速度。Le等运用被动旋转模拟方法进一步研究了垂直轴风机的运行特性。二维模型下被动旋转模拟方法与传统给定叶尖速度比（tip-speed ratio, TSR）模拟方法功率系数预测结果一致性较高，验证了被动旋转模拟方法的可行性，并进一步将该模拟方法应用于对垂直轴风机叶片结构优化，如图14所示，结果表明垂直轴风机采用螺旋叶片性能优于传统直叶片。

图14 二维及三维流体驱动仿真预测功率系数[94]

Zhu等通过图15所示方法建立了垂直轴风机与流体的相互作用模型，合理地考虑了流体与风机的相互作用，实现了对风机空气驱动旋转运动的模拟。其模拟值与风洞试验数据的对比如图16所示，结果验证了该模型的可行性。由该模拟方法得到的风轮实度、固定螺距角与风机自启动性能间的量化关系，可为风机结构优化及减缓动态失速提供依据。

图15 流体-风机相互作用过程示意图[92]

图16 垂直轴风机自启动过程角速度随时间变化情况[92]

除了垂直轴风机，蒋勇其等对佩尔顿水轮机进行了被动旋转运动模拟，分析了转速、力矩、流态、叶片上压力值的变化规律，其中转速模拟值与理论值相对误差为0.24%，为水轮机启动过程优化及转轮结构动力研究奠定了基础。Liu 等将被动旋转模拟应用于潮汐能、波浪能转换装备中，验证了模拟的可行性并发现被动旋转模拟方法对复杂入射流条件下旋转装备的瞬态性能具有良好的预测能力。张永胜等采用Fluent 6DOF 模型对涡轮流量计中涡轮转速进行被动旋转模拟，仿真结果与实流校准结果最大偏差为3.8%，结果证实了6DOF 被动运动模型对转速预测准确性较高。表3 总结了近十年来被动旋转模拟研究进展与主动旋转模拟方法相比，被动旋转模拟可以反映流体驱动旋转装备启动特性，提供更贴近实际的流场信息。但目前被动旋转模拟发展较慢，仍以二维单相流模拟为主。

表3 被动旋转模拟研究进展

总结对比流体驱动旋转装备数值模拟方法，如表4所示。可以发现，在流体驱动旋转装备运行过程中，针对其启动过程研究可选用被动旋转模拟方法，对稳定状态的模拟则可选用主动模拟方法。随着计算流体力学的发展，被动旋转模拟方法有望实现从二维到三维，从单相流到多相流的跨越，为流体驱动旋转装备运行全过程数值模拟提供更准确的预测。

表4 流体驱动旋转装备数值模拟方法对比

3 结语与展望

流体驱动装备在能源工程、化学工程等多个领域获得了广泛的研究与应用，数值模拟方法的发展，为流体驱动旋转装备拓展应用工况、降低研发成本提供了强有力的工具，其中被动旋转模拟方法作为一种更贴合实际的模拟方法，具有更好的发展前景。流体驱动旋转装备应用及研究方法在不断发展过程中也存在一些不足。第一，应用于新领域的流体驱动旋转装备缺乏专业设计，大多是采用已有装备结构进行改造利用，存在效率较低等问题。第二，流体驱动旋转装备对驱动流体流量以及压力有一定要求，在小流量低压头工况中使用受限制。第三，在数值模拟方法方面，传统主动旋转模拟方法无法完整反映流体驱动旋转装备运转过程，而被动旋转模拟方法仍以二维单相流模拟为主。未来的研究应主要聚焦于上述问题，并结合新材料及高性能材料3D 打印技术等的发展，实现关键旋转部件的轻量化设计与制造。

流体驱动旋转装备可以将旋转部件密封于壳体内，提高了整体结构的紧凑性，取消了动密封，避免了动设备密封泄漏问题，提高了运行稳定性及本质安全性，对解决化工领域中的高压、有毒等特殊工况动设备安全性问题提供了良好的思路。可以预见，随着对化工过程装备小型化、本质安全性要求的逐渐提高，作为电机驱动旋转装备的一种替代，流体驱动旋转装备具有广阔的应用前景，流体驱动装备技术和化工过程强化技术相结合将成为重要的研发方向。超重力技术作为化工过程强化技术的代表之一，其核心装备是旋转填充床，传统的旋转填充床由电机旋转为转子提供动力。鉴于流体驱动旋转装备技术的发展，研发流体驱动式旋转填充床，将有望进一步提升装备运转稳定性和安全性，拓展超重力技术应用领域，在推进节能减排、安全生产等方面发挥更重要的作用。