基于流固耦合的多级潜水泵叶轮结构强度分析

利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力应变进行了数值研究.分别计算出叶轮受流体压力及离心力载荷作用所产生的最大等效应力及变形量,进一步获得2种载荷共同作用时的效果.在此基础上,研究了叶轮最大等效应力及变形量随流量的变化特征,并对叶轮进行结构强度校核.结果表明,叶轮最大等效应力及变形量主要受流体压力作用影响,而受离心力的影响较小.当流量逐渐增加,叶轮最大等效应力先增大后减小,叶轮变形量则逐渐减小.强度校核结果表明,叶轮符合强度要求.     

轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析

采用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对灯泡贯流泵装置内部三维流场进行全流道湍流数值模拟.采用顺序耦合方法,应用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行结构静应力数值分析,并通过试验进行对比验证.结果表明：通过数值模拟与原型泵试验得到两者外特性曲线的变化趋势大致相同;工作面静压整体上较背面高,叶片背面进水边靠近轮缘位置出现局部低压,易发生空化;叶轮强度主要受离心力和流体压力的影响,且两者共同作用下的最大等效应力和最大总位移远小于两者单独作用的值;叶轮最大等效应力随流量的增大而增大,最大总位移随流量增大呈先减小后增大的趋势,最大等效应力出现在叶片出水边与轮毂交接处,叶轮变形的总位移随叶轮半径的增大而增大,最大变形量出现在叶片出水边靠近轮缘位置;强度校核结果表明,叶轮强度符合要求.计算结果可为灯泡贯流泵的应力特性分析提供参考.     

导叶安装角度对离心泵叶轮结构特性的影响

为提高带导叶蜗壳式离心泵的运行稳定性,研究了不同导叶安装角度对离心泵性能及叶轮结构力学响应的影响.以某带导叶蜗壳泵为研究对象,首先对其进行流场数值模拟,再通过静态和瞬态结构分析模块将水压力载荷导入叶轮结构,以实现单向流固耦合分析,研究不同导叶安装角度下叶轮变形与等效应力变化规律,最后通过模态分析研究叶轮结构的振动特性.结果表明：随着导叶安装角度减小,泵的高效区向小流量工况偏移,并且最高效率逐渐增大,最大提高2.1%;单向流固耦合分析得到的稳态结果与瞬态结果规律一致,其中叶轮最大变形量和最大等效应力值都随流量的增大而减小,在设计工况附近,都随导叶安装角度的减小而减小,最大差值为3.3%,且最大等效应力值变化的幅值较小;预应力对叶轮干模态固有频率的影响可忽略不计,与干模态对比,湿模态下的固有频率有较显著下降.     

基于流热固耦合的高温熔盐泵转动系统结构应力分析

基于ANSYS Workbench平台开展高温熔盐泵转动系统的结构应力分析,采用计算流体动力学软件CFX对泵内部全流场进行多工况定常数值计算,并通过试验对计算结果进行验证.综合考虑了高温熔盐泵的水动力载荷、离心力载荷、温度载荷等因素,建立了流、热、固耦合作用下动力学模型,研究不同温度下不同材料属性变化对高温熔盐泵结构性能的影响,并对高温熔盐泵转子部件进行应力分析.结果表明:在同一流量工况下,不同材料的叶轮叶片最大变形量均呈随温度的升高呈先增大后减小的趋势;同时,不同材料的叶轮形变程度基本趋于稳定,受流量影响不大;叶片工作面应力值大于叶片背面应力值,且不同温度工况下不同材料的叶轮背面应力值呈线性递减的趋势;叶轮等效应力最大位置主要集中在叶轮出口处叶片和前、后盖板接触的区域;经过变形及强度综合分析,表明3种不同的不锈钢材料中316L材质的叶轮力学性能最好.研究结果可为高温熔盐泵的结构设计提供一定参考.     

冲压焊接多级离心泵叶轮的疲劳强度

为了研究叶轮在运行过程中流场压力脉动作用下的疲劳特性,根据流动及结构的相似性,借助Ansys Workbench多物理场协同仿真平台中的CFX软件,对LVS 3-9型立式多级泵首级内的流场进行数值求解,计算了首级叶轮和导叶中的非定常压力脉动特性.采用流固耦合技术(FSI)中的弱耦合方法将计算得到的叶轮表面流场压力施加到叶轮结构上,分析了叶轮在流场中的受力情况,结合叶轮表面的压力分布特征利用叶轮材料的S-N最小二乘拟合曲线确定了冲压焊接叶轮的疲劳极限,并采用Goodman疲劳极限线图对叶轮结构进行了疲劳强度校核评估.研究结果表明:随着半径的增大,叶轮应力沿叶轮流道从进口到出口逐渐减小,叶轮的变形不断增大,在叶轮边缘达到最大值;在相同半径上,盖板与叶片接合的焊接区域应力明显较大;叶轮的变形均表现为沿轴向的弯曲变形,变形方向指向叶轮进口;电阻凸焊叶轮焊点在各工况下均满足疲劳强度要求,其中叶轮在小流量工况下的应力和应力幅最大.     

轴伸贯流泵叶轮叶片应力改善有限元分析

为计算分析轴伸贯流泵叶轮叶片根部加厚后的应力分布情况,采用计算流体力学软件CFX,基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型对某轴深贯流泵装置全流道三维定常不可压湍流流场设计工况进行了数值模拟。借助ansys workbench平台,将稳态流场数值模拟所得叶片表面静压力作为叶片有限元计算的载荷边界条件,得到四种根部不同加厚厚度的叶片在设计工况下的等效应力与总变形分布。研究结果表明:通过出对叶片根部应力集中区域的加厚,可以缓解此处应力集中并减小最大等效应力,从而抑制和预防叶片根部裂纹的产生。而叶片根部的加厚对叶轮叶片总变形并无太大影响,同时提出了一种叶轮叶片根部连接叶片轴处的加厚方法。研究结果为同类型水泵叶轮结构设优化计和安全稳定性研究提供参考。     

海上平台立式长轴消防泵转子静力学特性分析

为了研究立式长轴消防泵转子的静力学特性,以XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵为研究对象.首先根据设计参数通过Creo建立了立式长轴消防泵内部流场的三维模型以及转子的物理模型,采用CFX对该泵在0.20Q_d,0.65Q_d,1.00Q_d,1.20Q_d,1.40Q_d和1.50Q_d这6种工况下进行三级泵内流场的定常数值模拟;然后把物理模型导入ANSYS Workbench中,并根据实际运行过程设置约束条件,根据模块耦合功能,将流场的模拟结果导入固体结构实现单向流固耦合,对转子模型进行了带预应力的静力学特性分析.结果表明:叶轮内部受到的流体载荷随叶轮级数增加而增大,随流量增加而减小;转子总变形量的最大值位于第三级叶轮后盖板的边缘处,等效应力与等效应变的最大值位于第三级叶轮后盖板边缘与叶片出口边的交点上,都随流量增加而减小;在0.20Q_d,0.65Q_d,1.00Q_d和1.50Q_d这4种工况下转子的最大等效应力为118.23 MPa,小于其许用应力250 MPa,符合强度要求;该泵的工作转速1 485 r/min小于其0.85倍的一阶临界转速,符合动力学设计要求.因此,在满足安全运行的工况下,XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵满足设计要求和使用要求.     

蜗壳结构对高温熔盐泵转子运行稳定性的影响

为了研究蜗壳结构对熔盐泵输送高温介质时转子运行稳定性的影响,设计了相同运行工况条件下的单蜗壳、双蜗壳双出液管结构的2种熔盐泵.利用ANSYS 软件对2种蜗壳结构熔盐泵的内部流场进行了非定常数值模拟,并分析了转子部件上的温度分布;将流场和温度场的计算结果同时加载到转子部件上,进行叶轮和轴上的流热固耦合分析,探讨了2种结构熔盐泵转子部件的应力、变形量和模态.结果表明:双蜗壳结构可以减小叶片表面的压力载荷,提高叶轮表面压力分布的对称性;单蜗壳熔盐泵叶轮和轴的最大变形量较大;而且单蜗壳熔盐泵转子部件在不同旋转角度下最大变形量变化较大,相比于单蜗壳熔盐泵转子的等效应力,双蜗壳熔盐泵叶轮的最大等效应力较大,但双蜗壳熔盐泵泵轴的最大等效应力较小;2种蜗壳结构流场条件下,转子部件运行时均满足结构强度要求.     

基于流固耦合的双向流道轴流泵装置振动特性研究

双向流道轴流泵装置广泛应用于农田灌溉以及抗洪排涝领域。双向进水流道由于形状特征容易导致叶轮产生振动,严重时叶轮叶片甚至会产生裂纹,影响泵装置的安全运行。故采用双向同步求解的方法,在考虑双向进出水流道的情况下,对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮表面的应力及变形分布,可以为叶轮进行结构改进提供理论指导。计算结果表明,轴向力随叶轮旋转产生周期性变化,叶轮最大等效应力主要分布在靠近轮毂处,最大变形量主要分布在叶轮前缘与轮缘夹角处。当流量增大时,叶轮最大等效应力与最大变形量逐渐减小。在此基础上,研究了位于叶轮前缘与叶轮后缘上的4个特征点所受等效应力的情况,通过对比发现,叶轮前缘所受等效应力远大于叶轮后缘。     

基于流固耦合的离心泵口环间隙泄漏对叶轮强度的影响

基于流固耦合方法,以DG-350型多级离心泵次级叶轮为研究对象,研究了口环间隙泄漏对水泵次级叶轮变形和强度的影响。通过单向流固耦合分析和双向流固耦合分析得到了叶轮的等效应力和变形分布图,并对结果进行了对比分析。结果表明,在考虑间隙泄漏时,叶轮的最大总变形幅度为0.021 4 mm,最大等效应力为21.51 MPa。在不考虑间隙泄漏时,叶轮的最大总变形幅度为0.053 6 mm,最大等效应力为87 MPa。口环间隙的存在使得叶轮与导叶间的间隙流体产生较大的压力并作用于叶轮的前后盖板,从而抵消了一部分叶轮内腔的流体压力,减小了叶轮的变形幅度和应力集中。在叶轮最大变形和等效应力的最大集中区域附近随机选择A、B节点,通过瞬态分析,在最后1个旋转周期内,节点A、B处的等效应力随时间呈周期性变化。节点B处的等效应力始终大于节点A处,并且接近于最大等效应力,说明节点B附近的区域为应力集中的高发区。而节点A处的等效应力虽低于节点B处,但应力的变化幅度高于节点B处,说明节点A处更容易发生疲劳破坏。     

贯流泵内部湍流流动及叶轮流固耦合特性

基于RNG k-ε湍流模型,应用Ansys Workbench软件,对前置竖井式贯流泵内部湍流流动和结构静应力进行数值分析．模拟显示不同工况下泵的外特性曲线和试验值总体变化趋势一致,模拟的扬程比试验值稍高,效率稍低,但误差都保持在10％内;除出水流道隔断前部外,贯流泵整个流道流态均匀;出水流道前段的螺旋线分布的流线表明,水流在经过导叶后存在未回收的速度环量;在设计工况下,压力最小值出现在吸力面靠近进口边,此处最易导致空化．进一步采用单向流固耦合方法,对叶轮在不同工况下的静应力和总变形量进行分析,结果表明:设计工况下,叶轮的最大等效应力出现在叶片压力面和轮毂相交处,叶轮变形的总位移随着半径增大而不断增大,最大变形量出现在轮缘附近．计算结果将为贯流泵的优化设计提供一定参考．     

基于双向流固耦合的核主泵叶轮力学特性

基于双向流固耦合方法对核主泵内流场和结构场进行联合求解,研究流固耦合作用下核主泵叶轮的力学特性,分析经流固耦合作用后叶轮总体、叶片进出口边及叶根在各流量下的应力及变形分布.研究结果表明流固耦合作用对主泵外特性有一定影响且耦合后结果更接近试验值;随着流量的增加,叶轮前盖板处应力分布均匀性有所降低,而叶轮的最大等效应力均发生在叶轮叶片出口边与叶轮前盖板交界处,在交变载荷的作用下容易产生疲劳破坏.叶轮的最大的变形发生在叶轮叶片出水边的中部,叶轮的最大变形量随着流量的增加而增大.叶根的进出口边处易出现应力集中现象,说明叶片进出口边对液流的压力载荷及动静干涉作用极为敏感,在叶轮水力及结构设计时应予以足够重视.研究结果为核主泵以后的性能分析、叶轮的结构设计、维护和检修提供了有益参考.     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

大型双吸离心泵叶轮动应力特性

基于顺序流固耦合理论,以双吸泵内部非定常流场信息作为力学边界条件,采用有限元方法,对一台大型双吸离心泵叶轮进行了瞬态动力学分析。主要考察了5个流量工况(0.6Qd、0.8Qd、Qd、1.1Qd、1.2Qd)下的叶轮动应力特征。结果表明,在不同流量工况下叶轮表面动应力分布趋势基本相似,最大应力点出现在叶片进口或出口边靠近前盖板的根部区域;在小流量(0.6Qd)工况下,动应力水平最高;叶片动应力随时间呈周期性变化;动应力频率成分主要为叶轮转频及其谐频。     

两种叶轮型式潜水排污泵的内流特征与通过能力

为了比较具有不同叶轮型式的2台潜水排污泵的通过性能,采用计算流体动力学方法和SST湍流模型,分别选用清水和固液两相流体为液体介质,模拟双流道污水泵与双叶片污水泵在3种不同流量工况(0.8Q,1.0Q,1.2Q)下的流动特征.对比2台污水泵在输送清水与固液两相流体时的流动参数分布,并对输送这2种介质时的固体颗粒速度和固相颗粒体积分数分布进行分析.结果表明:与双叶片污水泵相比,双流道污水泵内的流动参数分布更加均匀.双流道污水泵叶轮进口存在1个大尺度旋涡,在一定程度上提高了双流道污水泵的通过能力.对比双流道污水泵与双叶片污水泵内固相颗粒分布规律,发现双流道污水泵内固体颗粒的速度更快,局部固体颗粒聚集程度较小,因而双流道污水泵的通过能力强于双叶片污水泵.