海水泵送蓄能技术作为新型大规模储能解决方案，展现出显著的技术经济优势。其核心原理是通过电力负荷低谷时段（如夜间）将海水抽送至高位水库储存势能，待用电高峰期释放水流驱动涡轮机发电，实现电能-机械能-电能的双向转换。此技术无需额外建设下水库，不仅能降低成本，还能在一定程度上提高能源的利用率，在沿海新能源建设利用等领域具有广阔的应用前景。

图1 冲绳海水泵送蓄能方案

海水泵送蓄能系统中，工作介质盐度高达35g/L，这种海洋环境对泵叶片运行带来很大挑战：其一是高氯离子浓度加速金属材料的电化学腐蚀，二是悬浮颗粒在流体冲刷下产生显著的空蚀-磨蚀复合作用。这种多物理场耦合效应导致叶片表面粗糙度增加，水力效率持续衰减，严重威胁机组运行可靠性与服役寿命。

传统实验研究受限于设备等因素难以对该现象进行深入研究。因此，本文利用CFturbo的参数化建模功能联合Simerics-MP的空化、颗粒等多物理场仿真能力深入研究叶片侵蚀规律，探索叶片侵蚀的影响因素，供设计参考。

（1）参数化模型设计与迭代

以水泵为例，其建模设计与参数优化迭代是一项高度复杂的技术任务。如叶轮作为关键部件，其设计需综合确定上下盖板尺寸、吸入直径、进出口安放角、叶片数量、叶片包角等十余项几何参数。这些参数并非独立，而是存在依赖关系。传统设计依靠经验公式（如斯泰尔兹曼公式、比转速公式）进行参数试算，需反复调整并验证性能，设计周期通常长达数周。

针对该问题，CFturbo软件通过自动化参数关联与数字化设计流程，显著提升设计效率。首先软件内置多种流体机械设备的经验函数库，将设计参数（如流量、扬程、转速）与几何参数（叶片数、包角、安放角）动态关联。例如，输入目标流量与扬程后，系统可自动推荐叶片数量与包角等参数。能够有效减少迭代工作量。其次，该软件内置多种CAD/CAE软件接口，可构建泵的设计-仿真-优化的并行工作流，显著降低产品的开发周期。

图2 CFturbo泵设计

（2）侵蚀计算

颗粒侵蚀是描述材料在固体颗粒反复撞击下发生质量损失的物理现象，其演化规律与颗粒尺寸、冲击速度及攻角密切相关。传统侵蚀模型虽能定性描述侵蚀机制，但存在局限性，一是未建立与流体动力学的实时耦合机制，难以精准捕捉复杂流场中侵蚀速率的动态特征；二是缺乏对流体机械设备内的复杂流动特性的数据提取，无法满足工程需求。尤其对于泵类设备，其内部侵蚀过程高度依赖颗粒运动状态与空化效应的协同作用。

针对该情况，将使用Simerics-MP软件进行计算。Simerics-MP软件运用拉格朗日颗粒追踪算法，能够精确追踪颗粒在叶轮和蜗壳等复杂流道中的运动轨迹，清晰展现颗粒在不同流场区域的速度变化和运动路径，这为研究颗粒侵蚀的分布规律提供了关键数据支持。同时软件集成了完备的空化模型，能够真实模拟泵入口段低压区气泡的生成、发展和溃灭过程。并且，该模型可以有效实现空化效应与颗粒侵蚀的协同模拟，揭示空化产生的气泡溃灭如何加剧叶片表面的侵蚀破坏。

图3 Simerics-MP弯管侵蚀计算

（1）参数化建模与验证计算

基于参数化设计与多物理场耦合的技术路线，本研究对某型小型液压泵展开系统性分析。首先通过CFturbo软件实施参数化建模，重点完成叶轮、蜗壳及静子部件的设计。随后将完整装配体导入Simerics-MP软件，在导入过程中CFturbo可智能识别模型拓扑结构，自动在进/出口区域生成一定长度的直管延长段，以消除边界条件突变引发的数值振荡。设计参数如下图所示。

图4 计算模型

Simerics-MP可通过内置的二叉树网格划分方法对该设备进行自动化的网格划分，快速网格划分的同时保证生成网格的质量。如下图所示。

图5 生成网格

在泵的入口位置，由于较低的压力产生了空化现象，如下图所示。

图7 模型空化

（2）设备侵蚀计算

将计算模型加入粒径为100微米的颗粒并增加相关模型后再次计算。颗粒追踪分布如下图。

图8 颗粒分布

同时可监测叶片上颗粒侵蚀厚度随时间的变化与叶片侵蚀分布情况，下图给出叶片尾缘磨损厚度随着时间的变化曲线。

图9 叶片侵蚀厚度随时间的变化

图10 叶片上易发生侵蚀区域

图11 设计点及叶片厚度被侵蚀10%以后叶片后缘流动的变化

（左侧为原模型，右侧为叶片减薄后模型）

本文针对海水蓄能泵，进行了参数化设计及仿真计算验证，得到以下结论：

1. 使用CFturbo软件可快速完成海水储能泵设备的参数化建模与优化迭代，提高设备前期设计与验证效率；

2. Simerics-MP软件可通过内置的空化、颗粒等模型进行流体机械设备内的颗粒捕捉与侵蚀计算，为设计提供参考；

3. 本文所研究的小型泵在叶片后缘侵蚀厚度较大，持续的侵蚀容易导致尾部气流分离，影响设备运行效率，在后续设计中需考虑叶片厚度的变化对设备整体运行影响。

▶  参考文献：

Mansour J E , Hendrick P , Hajjaji A ,et al.The effect of erosion on hydraulic machine performance[J].EURO-MEDITERRANEAN JOURNAL FOR ENVIRONMENTAL INTEGRATION, 2024, 9(3).DOI:10.1007/s41207-024-00480-9.