应用在泵领域的CAE技术

什么是CAE技术？

计算机辅助工程（Computational Aided Engineering, CAE）技术，简单讲就是对所研究的工程问题进行建模、数值求解和结果显示的技术。包括了前处理（Pr eproc e s sor）、数值求解（Solver）和后处理（Postprocessor）三个环节。

数值求解环节是整个CAE技术的核心。常用的数值求解方法包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法等。这些求解方法大同小异，主要差别在变量近似的方式及相应的离散化过程。

由于CAE问题的复杂性及计算机软硬件的多样化，使这些自编的计算程序往往缺乏通用性。而CAE本身具有鲜明的系统性和规律性，因此很适合于被制成通用的商用软件。

近二十年来，国际上出现了多种商用CAE通用软件和专用软件，这些软件为用户提供了成熟的数值处理方法，减少了研究的难度和工作量。借助CAE计算软件，技术人员仅需将精力集中在需要解决的具体问题上，避免了繁琐重复的工作，事半功倍。

CAE技术在水泵领域的应用发展及现状

泵作为高速运行的动力机器，其工作过程的内部机理比静态设备要复杂得多，有动静部件间的相互干涉和表面曲率等作用，还伴有二次流、间隙流、尾迹及各种旋涡，是复杂的三维非稳态粘性流动。在实际中经常遇到冲蚀磨损、汽蚀空化、腐蚀及与管路系统联网不匹配等情况，会产生振动、水锤和噪声，造成失效或降低运行效率、安全性和可靠性。

泵设备的传统设计采用一维的半经验半理论方法，通过相似理论得到与实际情况相接近的特性参数。研发方法一般要经历图纸设计、样机制造、性能试验三个过程，并经过多次反复才能得到一个较理想的产品，因此传统研发法周期长、成本高、比较盲目或过多依赖经验。

黄思 博士生导师

随着计算机技术的快速发展，CAE技术已逐渐发展成为包括泵设备及其系统在内工程问题的重要分析手段。

CAE技术具有性能预测、数值试验和故障诊断等作用，很大程度上解决了理论研究和实验研究无法解决的复杂问题，和实验研究相比边界条件容易控制，能给出详细和完整的资料，可模拟出高速、高温、有毒、易燃易爆等真实条件和实验室无法达到的极端条件。

另一方面，CAE技术使工程分析更快、更准确，信息资料更完整，减少了研发时间和成本，提高了设计效率，在泵产品的研发、设计分析和应用等方面正发挥着越来越重要的作用，使水泵这一传统的行业进入了一个新的发展阶段。

CAE技术在水泵领域的应用展望及挑战

众所周知，泵结构有动力式、容积式两大总类；级数从单级到几百级；转速从几百r/min到上万r/min；尺度从生物及医学中使用的人工心脏、微型泵到水利排灌使用的大型泵；抽送介质从液体单相到气固、液固或气液固多相流体；从卫生标准严格的药品食品到有毒有害、易燃易爆的介质；温度从零下100多摄氏度的低温到几百多摄氏度的高温。

随着泵设备应用范围的扩大，其工作环境也愈加复杂，人们对泵性能的要求也愈来愈高。泵设计和应用的问题已不仅仅是泵单体设备的水力问题，还包括：泵和管路阀门的系统联网问题；泵设备在流动载荷作用下的结构强度和刚度校核问题；水泵的旋转频率、流体激振力频率与结构固有频率和模态接近时引起的共振问题及结构疲劳破坏问题；流—固、热—固、流体—电磁、泵设备—管路阀门系统联网等耦合问题。

受历史条件的限制，以往的研究常常将泵设备内流场与其它特性研究分开进行，未能考虑泵单体流场与其它因素泵的稳定。

在这些新型泵上，采用了专门开发的一种集成了金属芯体的重载隔膜，它们不仅使用寿命长，而且能够处理重载荷。隔膜的硬化芯体支撑着非常厚的橡胶层。为了传递吸力，还采用特殊的织物来加固芯体，这些织物几乎在任何方向上都不具有弹性。

此外，这些泵可以与可选的传感器结合在一起使用，传感器对隔膜的运动做出响应，便于监视其运动周期。因此，伴随着全压力的慢行程频率，几乎不触发信号。如果使用PLC编程来呈现一个会产生形程的时间窗口，那么此时间窗口内不再出现这些罕见信号，就意味着厢式压滤机内部已被污泥充满了。

可以切断压缩空气的供应，并且可以设置信号来提醒操作者清空压滤机。该方法完全通过物理手段来实现，与敏感的压力表和废水水流中的污染传感器均无关。

总之，当选择适用于压滤机工作的泵时，气动隔膜泵是首选的解决方案，它有许多颇具特色的优点。具有电子驱动和控制元件的常规容积泵则不具备AODD泵的这些设计特点，包括干运行能力，良好的可控性和无垫圈的机械设计等等，不一而足。