江苏大学司乔瑞教授：一根轴两个流场！水力风机整机设计的核心难题与解法

导读：大家好，我是司乔瑞，在江苏大学做泵与流体机械这一行已经十几年了。我们课题组里这几年被问到最多的一句话是——"司老师，深地降温这事，能不能不用电？"这不是个新问题。矿产资源开采深度不断下探，一千米、两千米，井下温度每深一百米就要升 3℃ 左右，作业面常年处于 30℃ 以上的高湿高热环境。仪器要稳定、人要健康，传统靠空压机+电机的方案在井下防爆、供电、布线上的成本是越挖越贵。

矿井本身是有"自然水头"的。把这部分水的势能直接回收，用液力透平把它转成机械功，再直接同轴驱动一台轴流风机吹出冷风——这套"水力风机"路线，理论上不需要井下用电、没有电气防爆问题，是工程上最朴素、也最诱人的方案。

但真正动手做过的人才知道，朴素的想法，背后是两个完全不同的流场在转。透平那头是水、风机那头是气，介质不同、转速不同、动态特性不同。同一根轴，把两端拧在一起跑稳、跑高效、跑长寿命——这就是水力风机整机研究的核心问题，也是我们这次直播要拆开讲的事，详见见后文。

一、行业里的真痛点：单边研究够用吗？

这几年国内外围绕液力透平和风机分别做了大量工作，CFD 模型、压力脉动、流动损失、噪声特性，相关论文发了不少。但落到"水力风机"这个整机层面，老办法就有点使不上劲：

• 两流场动态耦合机制看不清。流量一波动，透平端转速跟着漂，风机端工况点相应滑动，两边不是简单叠加关系，传统"分别设计-再迭代匹配"思路算不动。

• 启动过程和动态稳定性说不清。矿井水头是变幅的，水力风机经常要在变转速、变流量、变风压下频繁启停，里面的脉动力矩、转速波动、尾水涡演化路径缺乏可用的工程判据。

• 尾涡和导流结构没量化设计依据。液力透平出口本来就存在非均匀速度滑移，由此拖出的尾涡直接吃掉了风机的有效风压，单纯靠加导流板靠经验拍脑袋。

• 多级串联和深井高水头工况难扩展。小流量、高水头矿井水源的水力设计、整机轴系动力学评价，目前公开可参考的工程数据非常有限。

说到底，真正卡脖子的是"水-气-机-电"四要素里，前两件事没有被一套统一方法串起来。这就是我们这一轮课题想回答的问题。

二、我们这一轮做完了什么

这次直播我会把团队近三年针对水力风机的研究，按"由静到动、由局部到整机"的主线讲清楚，一共六块：

1、研究背景与意义：深地降温的真实工程约束，水力风机相对传统电驱风机的技术经济性。

2、数值方法与试验验证：基于 Fluent UDF 和轴系转动方程建立的透平—风机双向协同模拟方法，配套水力风机试验台做交叉验证。

3、复合叶轮液力透平内流特性：针对小流量、高水头矿井水源的水力设计，长短叶片复合叶轮的损失分布、压力脉动主导模态。

4、两流场双向协同数值模拟方法：怎么让透平的水力特性和风机的气动特性在同一根时间轴上稳定耦合。

5、协同工况下不稳定流动特性：水力风机启动全过程，透平端能量转换、风机端气动载荷、转速波动、尾水涡演化的传递链条，以及基于转子动力学的一阶降阶模型。

6、工程应用与多级液力透平驱动风机开发：复合叶轮出口速度滑移的修正 Burgers 涡模型、导流板布置方向与插入深度的抑涡策略，多级串联方案在深井高水头场景的工程落地。

简单一句话总结，我们把"水—气—轴—整机"四件事第一次在统一时间尺度上跑通了。

三、几点工程经验，跟同行交个底

直播里我会展开讲，但提前把几个最值钱的工程经验抛出来，给做泵/风机/水力机械的同行先打个底：

1、复合叶轮在偏离工况下收益更明显。长短叶片组合对透平小流量工况的水力稳定性改善幅度比常规叶轮高 10% 以上，但前提是叶片数比与重叠度要算过，不是拍脑袋。

2、脉动传递链是从水流到气流的"双向车道"。透平转频、叶频会沿主轴传上去，风机端的流道共振一旦和这些频率耦合，整机振动会急剧放大。设计阶段就要把这些频率错开。

3、尾涡抑制不要只盯着透平出口。我们用修正 Burgers 涡模型对比了不同导流板布置方式，发现插入深度的影响比方向还敏感，方向错 15° 还能用，深度差一档基本就废了。

4、多级液力透平才是深井高水头场景的最终解。单级透平在水头高、流量小的时候效率衰减明显，多级化设计能在保持整机紧凑性的同时，把水能利用率往上拉一截。

四、怎么观看直播

水能怎么回收？液力透平驱动风机给出"一进两出"的优雅答案——一边回收水能，一边驱动风机做功。但透平尾涡与风机气动载荷相互纠缠，脉动力矩、转速波动、尾水涡演化，每处细节都关乎整机效率与稳定性。

8月20日 19:30，仿真知识狂欢节系列直播第十期，我们再次邀请江苏大学司乔瑞教授做《液力透平驱动风机两流场能量转换及内部流动不稳定特性研究》公开课，他将结合多年特种流体机械研究经验，系统讲解复合叶轮液力透平内流特性、两流场协同数值模拟方法、启动过程及不稳定流动机理，助你打通"理论—仿真—工程"的关键一环。

1、主讲嘉宾

司乔瑞   教授 

江苏大学  博士生导师  国家水泵及系统工程技术研究中心

多年来，围绕国家节能和应急装备重大需求，针对特种流体机械设计理论和旋转机械流动控制、状态监测、节能降噪等关键技术进行了一系列科技创新。兼任中国声学学会计算流体声学分会委员、南水北调与水利科技（中英文）期刊编委、排灌机械工程学报青年编委。是江苏省优秀博士论文、2023年亚洲流体机械青年工程师奖获得者，入选中国科协第三届“青年人才托举工程”、江苏省“双创计划”项目，提名2021年江苏青年科技创新“U35攀峰奖”，获评第七届“江苏大学十佳青年教职工”。目前已获省部级/行业科技进步奖10余项，获授权发明专利30余项，出版专著5部，第一或通讯发表SCI/EI论文80余篇。

2、这场直播适合谁来看

• 深地开发、应急救援、空调暖通领域的仿真工程师与研发技术人员——关注水力风机的整机匹配和稳定性设计。

• 流体机械、热能工程、冷却系统方向的科研人员和高校教师——关注两流场耦合、复合叶轮设计、非定常流动分析。

• 机械工程、流体机械专业的硕博研究生——希望系统了解从水力设计到 CFD 仿真再到试验验证的完整工程链条。

3、如何观看

本次内容不是单点技术分享，而是把"水力设计—风机选型—两流场协同建模—试验验证—非定常机理—多级整机开发"这六步连成一条线讲完。听完之后，你拿到的不仅是一组方法，还有一套从单机到整机的工程思路。

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我们在 8 月 20 日晚 19:30 直播间见。深地降温、矿井水能回收、水力风机开发，欢迎带着你们手头的项目来聊。