海水反渗透系统中集成泵-马达单元阀板/配流盘界面的数值优化与性能提升研究

为解决海水反渗透(SWRO)脱盐系统中集成泵-马达能量回收装置(ISPM-ERD)因阀板/配流盘界面(VPI)泄漏和摩擦导致的效率瓶颈问题，研究人员通过建立混合弹流润滑(MEHD)模型，结合有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)，揭示了PEEK阀板变形对润滑特性的影响，并提出带储液槽(RG)的优化设计。实验证实RG结构可提升机械效率，为SWRO系统性能优化提供新思路。

　　

在全球淡水资源日益紧张的背景下，海水反渗透(SWRO)脱盐技术因其高效稳定的产水能力成为解决水危机的关键方案。然而，这一过程的能耗问题始终是制约其大规模应用的瓶颈。传统SWRO系统中，能量回收装置(ERD)的性能直接影响整体效率，而其中阀板/配流盘界面(VPI)的泄漏和摩擦损失尤为突出。更棘手的是，当采用聚醚醚酮(PEEK)等轻质材料时，阀板变形会进一步加剧这些问题。如何精准预测并优化VPI的润滑特性，成为提升SWRO系统能效的核心挑战。

北京某高校的研究团队在《Desalination》发表的研究中，针对集成海水泵-马达能量回收装置(ISPM-ERD)的这一难题展开攻关。通过建立创新的混合弹流润滑(MEHD)模型，首次将压力脉动、粗糙峰接触和PEEK阀板弹性变形等多物理场耦合效应纳入分析，并采用有限体积法(FVM)与有限元法(FEM)联合求解。研究不仅揭示了变形阀板对润滑膜分布的独特影响规律，更设计出带储液槽(RG)的配流盘结构，通过实验验证可使机械效率显著提升。

关键技术方法包括：基于MATLAB/Simulink-APDL平台构建MEHD多场耦合模型；采用Greenwood-Williamson粗糙接触理论量化微凸体相互作用；通过网格独立性验证确保720×44网格的计算精度；利用现有海水液压柱塞泵(SWAPP)测试平台进行RG结构的效率验证。

Kinetic model of the cylinder-port plate assembly of pump-end
通过力学建模分析缸体-配流盘组件(CPPA)在旋转中承受的轴向夹紧力F_pz、弹簧力F_s和液压活塞力F_pi的平衡关系，为后续MEHD模型提供边界条件。

Verification of grid independence
对比720×44与1440×88两种网格密度的压力分布结果，证实采用较稀疏网格即可保证计算精度，显著提升求解效率。

Lubricating characteristics
模拟显示PEEK阀板变形会导致润滑膜厚度分布不对称，在高压区形成局部接触，混合润滑状态下的粗糙峰接触压力占总压力15%-20%。

Description of reservoir groove structure
创新设计的RG结构通过腰型槽与活塞腔连通，在特定转角位置形成附加流体支撑力，使平均膜厚增加8.3%，摩擦扭矩降低12.7%。

Description of the tested device
基于双轴承支撑的海水液压柱塞泵(SWAPP)测试表明，RG结构使机械效率提升2.1个百分点，但容积效率轻微下降0.8%。

这项研究的突破性在于：首次建立了适用于PEEK-不锈钢材料配对的MEHD全耦合模型，填补了软硬材料组合界面润滑理论的空白；提出的RG结构通过巧妙利用流体动力学效应，实现了"以液抗磨"的创新设计。研究不仅为ISPM-ERD的工程优化提供具体方案，其建模方法更可推广至其他泵-马达类设备的摩擦副设计。特别是对SWRO这类高能耗系统，每提升1%的ERD效率意味着数百万度的年节电量，具有显著的经济和环境效益。未来，该团队计划将MEHD模型拓展至热-流-固耦合领域，进一步探索高温海水环境下的界面润滑机制。