流固耦合作用對螺旋離心泵流場(chǎng)影響的數值分析

　　為研究流固耦合作用對螺旋離心泵內部流場(chǎng)的影響，以ZJ200-25型螺旋離心泵為研究對象，應用計算流體力學(xué)軟件CFX12.1和有限元軟件ANSYS Workbench對螺旋離心泵進(jìn)行了考慮內部流場(chǎng)和結構相互作用的兩場(chǎng)交替聯(lián)合求解，并以相同的設置對不考慮流固耦合作用的內部流場(chǎng)進(jìn)行了計算。對比分析兩種計算方法得到的流場(chǎng)發(fā)現，考慮流固耦合作用后:泵進(jìn)口處的壓力波動(dòng)加劇，出口壓力波動(dòng)強度降低，進(jìn)出口波動(dòng)頻率不變，但相位有改變；速度分布滿(mǎn)足共同的規律，但在小流量工況下差別最大，同時(shí)在葉片與隔舌處于相干位置時(shí)，隔舌附近流動(dòng)也受到明顯影響；徑向力大小隨時(shí)間變化規律一致，但波動(dòng)范圍減��；考慮流固耦合作用后葉輪流道內流動(dòng)更加不對稱(chēng)。

　　螺旋離心泵是一種傳統的無(wú)堵塞泵，其核心部件為半開(kāi)式螺旋形葉輪。這種泵葉片少，葉片薄而相對扭曲，包角大，結構特殊。螺旋離心泵運行過(guò)程中，在流場(chǎng)內復雜的水力激勵作用下，葉輪會(huì )發(fā)生變形及振動(dòng)，變形后的葉輪又會(huì )引起流場(chǎng)的改變。以往關(guān)于螺旋離心泵內部流動(dòng)的數值研究中，都沒(méi)有考慮到結構變形和振動(dòng)對流場(chǎng)的反作用，而雙向流固耦合方法已經(jīng)被用于普通離心泵內流場(chǎng)的研究中，但還沒(méi)有在泵領(lǐng)域得到推廣，成果有限。

　　目前應用較多的是將流場(chǎng)載荷加載到結構上的單向流固耦合方法，這種方法忽略了阻尼作用，準確度低，常用于求解結構響應的靜力學(xué)分析。本文使用CFD軟件CFX12.1及有限元分析軟件ANSYS Workbench對螺旋離心泵進(jìn)行雙向流固耦合數值模擬，對比研究耦合與不耦合各工況下流場(chǎng)壓力、速度及葉輪受力的差別，分析流固耦合作用對流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

1、計算模型與模擬方法

　　1.1、模型參數

　　螺旋離心泵模型設計參數為:流量Qd=200m3/h，揚程H=25m，轉速n=1450r/min，比轉數ns=116，葉片數Z=2。葉輪進(jìn)口直徑D1=160mm，出口直徑D2=328mm，出口寬度b2=70mm，蝸殼基圓直徑D3=360mm，葉輪外緣與吸水殼體內壁間隙為0.9mm。葉輪材料為不銹鋼316L，密度8030kg/m3，彈性模量175GPa，泊松比0.4。

　　1.2、網(wǎng)格生成

　　將螺旋離心泵的三維模型導入網(wǎng)格劃分軟件ICEM生成計算區域的網(wǎng)格�？紤]到螺旋離心泵結構特殊，葉片邊緣存在一尖角區域，且計算區域中存在比較復雜的流動(dòng)，如二次流、交叉流以及小流量工況下的分離旋渦等流動(dòng)現象，采用六面體網(wǎng)格單元不能保證網(wǎng)格質(zhì)量和更好地反映這些流動(dòng)。故采用適應范圍更廣的四面體網(wǎng)格單元對全流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對間隙內流體進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，流體網(wǎng)格總數為1399178(圖1)。轉子固體有限元網(wǎng)格在WorkbenchTransientStructure模塊中生成，單元數為125662(圖2)。

圖1 流體區域網(wǎng)格

(a)葉輪計算區域網(wǎng)格(b)蝸殼計算區域網(wǎng)格

圖2 固體區域網(wǎng)格

　　1.3、數學(xué)模型及模擬方法

　　數值模擬在A(yíng)NSYSCFX12.1全隱式耦合多網(wǎng)格線(xiàn)性求解器中進(jìn)行。采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行非定常全流場(chǎng)計算，采用適宜于瞬態(tài)求解的SIMPLEC算法進(jìn)行求解。進(jìn)出口邊界條件分別定義為速度進(jìn)口和自由出流，設置參考壓力為大氣壓，給定不同工況下的進(jìn)口速度進(jìn)行計算。固體壁面定義無(wú)滑移邊界條件，粗糙度0.025mm。將進(jìn)口與葉輪、葉輪與蝸殼間的交界面設置為T(mén)ransientRotorStator。以葉輪旋轉9°作為一個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步長(cháng)ΔT=0.001035s，每個(gè)旋轉周期包含40個(gè)時(shí)間步。選擇5個(gè)旋轉周期作為采樣對象，200步的總時(shí)間T=0.207s。

　　在雙向流固耦合計算的基礎上，以相同的時(shí)間步長(cháng)及設置，進(jìn)行了不考慮流固耦合作用的解耦計算，以此結果作為參照，能夠更直觀(guān)地對比得出流固耦合作用對流場(chǎng)所產(chǎn)生的影響。

結論

　　(1)流固耦合作用使得進(jìn)口壓力波動(dòng)強度增大，出口壓力波動(dòng)強度減弱，隔舌處波動(dòng)紊亂，但流固耦合前后的流場(chǎng)也滿(mǎn)足共同的規律，耦合作用并未改變整體流動(dòng)趨勢。

　　(2)不同工況下，流固耦合作用在非設計流量下影響最明顯，小流量下對壓力影響最明顯，大流量下對徑向力影響最明顯；一個(gè)旋轉周期內，當葉片與隔舌處于相干位置時(shí)，耦合前后的流動(dòng)差異最大。

　　(3)由于葉輪變形以及質(zhì)心偏移，破壞了轉子結構的對稱(chēng)性，對泵進(jìn)口處液流形成擾動(dòng)，并對下游流道內流動(dòng)形成不同程度的影響，這種影響隨時(shí)間及空間積累，會(huì )在流道內局部產(chǎn)生明顯的差別。