基于流固耦合的軸流泵葉輪結構分析
為了準確計算軸流泵葉輪的應力分布狀況，采用了FLUENT軟件與ANSYS軟件協(xié)同仿真的方法�；贔LUENT，N-S控制方程與標準k-ε湍流模型對軸流泵全流道進(jìn)行了三維流動(dòng)計算，通過(guò)Workbench流固耦合技術(shù)傳輸數據，應用ANSYS對軸流泵葉輪進(jìn)行了結構計算。通過(guò)數值分析，確定了葉片應力集中區域，得出了葉片應力從葉頂到葉根逐漸增大的分布規律。計算結果為軸流泵葉輪的優(yōu)化設計提供了有利的依據。
1、前言
葉輪是軸流泵重要的過(guò)流部件之一，葉輪在運行過(guò)程中產(chǎn)生的應力和變形對軸流泵的安全運行起著(zhù)重要的影響，因此有必要對軸流泵葉輪在正常工作時(shí)所受的應力和變形進(jìn)行精確分析。
目前，在對軸流泵葉輪的結構強度有限元分析中，流體對葉輪表面的壓力多是采用簡(jiǎn)化方法將等效壓力加載到軸流泵葉輪表面對葉輪進(jìn)行強度分析。顯然這種通過(guò)簡(jiǎn)化方法加載壓力得到的結果與真實(shí)結果有一定的差異，尚不能完全作為軸流泵葉輪優(yōu)化設計的依據。
為了能夠更好地模擬軸流泵工作的真實(shí)情況，應將流場(chǎng)分析時(shí)得到的葉輪表面的真實(shí)壓力加載到強度分析的葉輪模型表面進(jìn)行流固耦合分析。本文采用有限元分析軟件ANSYSWorkbench對軸流葉輪進(jìn)行單向流固耦合分析，分析結果不僅揭示了軸流泵內部的流動(dòng)規律，還得到了葉輪的應力和變形分布情況，為軸流泵葉輪的結構設計和優(yōu)化設計提供了數值依據。
2、軸流泵流場(chǎng)分析
2.1、基本方程
本文采用雷諾時(shí)均N-S方程和標準k-ε湍流模型以及SIMPLE算法進(jìn)行計算。公式如下：
(1)三維不可壓連續方程和動(dòng)量方程為：
圖8 軸流泵葉輪整體變形
圖9 葉片徑向方向變形曲線(xiàn)
由圖8和圖9可知，葉輪的變形十分均勻，從輪轂到輪緣逐漸增大并在靠近輪轂處變形很小且變化緩慢，到葉片外側變形加快且變形增大直到達到最大變形0.05mm。由于最大變形滿(mǎn)足工作要求，因此結構分析的結果驗證了所設計的軸流泵滿(mǎn)足設計要求。
4、結論
(1)軸流泵輪轂和葉片結合處出現應力集中，因此對于軸流泵葉輪的設計和優(yōu)化應該著(zhù)重考慮此處的剛強度；
(2)采用流固耦合方法對軸流泵葉輪進(jìn)行了結構靜力學(xué)仿真，分析獲得的應力和變形數據對軸流泵葉輪的結構優(yōu)化設計與運行有指導意義。
