动压悬浮式微型泵的内部流动及运行稳定性研究

动压悬浮式微型泵是一种很有前途的微型流体机械，研究该泵内部流动及运行稳定性不仅可拓展这类泵在人类社会生活中的应用，还具有重要的科学意义。本项目基于大量的实验和计算，研究动压轴承的关键设计参数对微型泵叶轮几何参数取值范围及流道中压力脉动的影响，得出动压悬浮叶轮的多目标优化设计方法；针对动压悬浮式微型泵的流道特征，发展适合于具有间隙的复杂流道和变动边界的混合网格技术，并应用于微型泵全流道的DES计算；进行微型泵转子的动态特性测试，确定动压轴承设计及流场的压力变动对泵轮转子动力学特性的影响；依据可靠性设计原则，研究动压悬浮式微型泵运行稳定性的评估方法，并以之分析动压轴承及泵流道的主要参数对运行稳定性的影响；总结出一套提高动压悬浮式微型泵运行稳定性的初步设计指导原则。本研究不仅能促进我国微型泵领域的技术进步，而且所发展的混合网格技术可为类似的复杂流道及变动边界流动问题提供实用的解决方法。

本项目提出了一种叶轮与（电机）转子为一体、无机械轴的新型微型泵设计概念。基于大量的实验和计算，成功研制了动压悬浮式微型泵的样机，该样机的机组（含电机）总质量仅420克。水力试验及机械耐久性实验证明该样机的水力性能达到设计要求，运行安静（噪声极低），稳定性良好。课题组于2011年11月携该样机参展第十三届中国国际工业博览会，获高校展区一等奖。通过本项目研究，发展了适合于具有间隙通道的复杂流道和变动边界的复合网格技术，并应用于微型泵全流道的DES计算。由此改善了动压悬浮式微型泵性能预测的精度；以全流道的计算结果为边界条件，对动压悬浮式微型泵的间隙流动进行了精细模拟，得出了液体动压支撑的关键设计参数（如转速、转子偏心率、转子与定子之间的间隙）对转子承载力的影响规律，以及对微型泵叶轮几何参数取值范围的约束；采用优质透明有机玻璃制作了模型泵的流动部件，开展了微型泵内部流动特征的PIV测试，得到了模型泵内部特殊区域及叶轮进口前的流动特征；设计了7种叶轮和2种压水室，通过数值计算考察了叶轮几何设计参数、叶轮与压水室匹配关系对微型泵水力性能的影响，并据此进行了微型泵优化设计；综合微型泵水力设计优化与液体动压悬浮支撑特性的研究，以兼顾微型泵的水力性能、流道内压力脉动与转子悬浮支撑能力为目标，总结出一套提高动压悬浮式微型泵运行稳定性的初步设计指导原则。项目获得授权或申请的发明专利4项，发表论文27篇（其中SCI检索9篇）。通过项目研究，培养博士生4名、硕士生2名。