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.     

基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析

为了开展基于双向流固耦合的水轮机转轮叶片应力特性分析,通过坐标变换将直角坐标系下的连续方程和动量方程变换到任意拉格朗日坐标系下,建立流场控制方程,采用FCBI-C方法得到离散方程.在旋转坐标系下建立结构静力学方程,采用有限元法进行离散,得到转轮的有限元方程.使用迭代法双向流固耦合,对流体方程和结构方程进行迭代,直到流固耦合系统收敛.通过基于双向流固耦合的混流式水轮转轮应力场计算可得:单、双向耦合条件下转轮应力和位移分布趋势基本一致,最大点位置相同;转轮的有效应力相对差值随着变形的增大而增大,均在位移变形值最大点最大;变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素,在小变形情况下,精度要求不高时可用单向耦合代替双向耦合进行计算.     

基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性

为计算轴流泵叶片的应力及变形情况,在Workbench平台上,采用Ansys和CFX软件对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行双向顺序流固耦合联合求解,其中流场计算基于RANS方程,采用RNG k-ε双方程湍流模型,结构计算采用弹性体结构动力学方程.对叶轮叶片在流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,分析了流固耦合作用对轴流泵扬程和效率的影响.计算结果表明:在流固耦合作用下轴流泵叶片的最大位移发生在叶片进水边轮缘处,叶片出水边及根部位移较小;叶片根部与轮毂接触处靠近进水边一侧存在明显的应力集中现象;叶片的应力和变形均随轴流泵流量的增大而逐渐减小;与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用的数值计算得到的轴流泵扬程和效率均有所下降,但下降幅度较小.     

基于流固耦合的除杂风机应力应变及模态研究

叶轮是除杂风机的重要部件之一,叶轮在运行中的应力应变对除杂风机的安全运行有着重要的影响,而叶轮振动是风机的常见故障,所以流固耦合条件下的除杂风机叶轮变形及振动分析对甘蔗收获机除杂风机的安全有着重要的意义。为此,采用有限元分析软件Ansys Workbench对除杂风机叶轮进行了单向流固耦合计算分析,结果表明:叶轮在流固耦合作用下会发生弯曲扭振变形,最大应力分布在叶片与轮毂的交界处,最大应变分布在叶片外缘处;所设计的叶轮最大应力为21.48MPa,小于材料极限应力,而工作转速也远离振动转速,均满足工作要求。该研究为甘蔗收获机的除杂风机设计提供了参考。     

基于流固耦合联合收割机横流风机叶轮的动力特性分析

随着谷物联合收割机清选部件宽度的增加,横流风机以风量大、结构紧凑、出口气流沿轴向分布均匀等优点,在联合收割机上得到了广泛的应用。为此,利用有限元分析平台ANSYS Workbench对某型号联合收割机的横流风机进行流固耦合分析,首先分析风机流场对叶轮的作用力,进而分析不同作用力对叶轮动力特性的影响。结果表明:流场对叶轮的作用力分布十分复杂;与只考虑离心力相比,考虑离心力和重力之后叶轮的最大总变形量增加了8.5%;如果再考虑流场压力作用,叶轮最大总变形量增加了3.5%;预作用力对不同阶数叶轮模态振频的影响也不同,不同预作用力下的叶轮模态振频是基本一致的;风机叶轮的干扰频率16.1Hz远小于其前8阶模态振频;ANSYS Workbench简化流固耦合的分析过程,提高了分析效率。     

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.     

双蜗壳离心泵的流固耦合分析

对一比转数为109的双蜗壳离心泵进行了同时考虑叶轮和蜗壳结构场的双向流固耦合分析,分析了流固耦合作用对泵外特性和内流场分布的影响以及不同时刻泵的结构场的结构变形与等效应力的分布。研究发现,考虑流固耦合作用后数值计算得到的平均扬程预测精度提高了0.7%;流固耦合作用对叶轮的内流场影响小,对蜗壳螺旋段的压力分布和扩散段的速度分布影响较大;不同时刻泵结构场的变形分布有较大差异,但等效应力分布的差异较小;当叶片正对蜗壳隔舌时,结构变形和等效应力都达到了最大值。     

基于流固耦合的离心泵蜗壳振动特性优化

针对具有超厚叶片的离心泵叶轮与蜗壳匹配问题,采用双向耦合方法对3种蜗壳结构产生的振动位移和振动速度进行了数值模拟。计算结果表明,由于叶轮与隔舌之间的流场动静干涉作用,蜗壳受到交替的激振力作用,在不同时刻振动位移和振动速度分布呈周期性变化;蜗壳基圆直径与叶轮直径的比值D3/D2对蜗壳振动有明显的影响,当D3/D2≤1.013时,超厚叶片出口压力诱导蜗壳振动强烈;当D3/D2逐渐增大时,蜗壳振动明显减弱。在设计工况下,方案A（D3/D2=1.013）振动位移最大值为4.288×10-6m,振动速度最大值为8.547×10-4m/s;方案C（D3/D2=1.19）振动位移最大值为2.923×10-6m,振动速度最大值为5.253×10-4m/s;优选方案B（D3/D2=1.13）的振动最小,其位移和速度最大值分别为2.56×10-6m和4.823×10-4m/s,仅约为方案A的60%。该结果也验证了径向力的作用规律与蜗壳振动特性的直接关联性。     

基于流固耦合方法的压力补偿滴头水力特性研究

采用流固耦合方法对压力补偿滴头水力特性进行了数值模拟,得到了该滴头的压力流量关系、内流场分布及膜片变形量。通过与试验实测结果的对比分析表明,数值模拟与实测的滴头压力流量关系较接近,为研究压力补偿滴头内流场分布与水力特性之间的关系提供了一种新途径。     

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。     

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。     

离心泵流场流固耦合数值模拟

离心泵叶轮在流场中受到的应力及产生的变形对速度场和压力场有一定的影响。采用双向同步求解方法对离心泵流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮流固耦合作用对其内部流场的影响。对不同工况进行的计算结果表明,叶轮和叶片中应力分布明显不均,局部出现应力集中;叶轮出口后盖板在偏离设计工况时变形较大,影响叶轮出口速度,使蜗壳出现分流的部位向出口移动;导致叶轮出口压力不对称状态、不稳定性更严重;各监测点上压力变化较明显。     

流固耦合作用对离心泵内部流场影响的数值计算

采用双向同步求解的方法对离心泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究了叶轮流固耦合作用对离心泵内部流场的影响.流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,采用多重坐标系法;结构响应基于弹性体结构动力学方程.并将计算所得的流道网格变形、流场静压和速度的分布以及径向力等结果与非流固耦合计算的流场进行对比分析.分析结果表明,流固耦合作用使得流体和固体区域计算网格发生微小变形,这不仅会改变流体对固体载荷的分布,而且会影响结构对流体的做功作用,从而影响流场的分布;叶片相对隔舌不同位置时,叶轮出口处和蜗壳流道内流场的静压分布变化趋势不同;流场速度变化主要出现在叶片和叶轮出口附近;各时间点上径向力的大小和方向变化较明显.     

斜流泵性能预测与叶轮进出口环量分析

为了揭示大型高比转数斜流泵内部流动规律,采用商业软件FLUENT,对高比转数斜流泵进行数值模拟。通过计算得到的扬程和效率性能曲线与实验结果基本一致,有效地证明了该数值计算的准确性。同时,还分析了3个工况0.8Qopt、1.0Qopt和1.2Qopt稳态流动下叶轮进出口的轴向速度和环量分布规律。结果表明3个工况下斜流泵内部流动稳定,叶轮叶片背面存在明显的负压区;叶轮进口呈非线性环量流型,出口呈等环量流型,轴向速度均为抛物线分布。     

流固耦合作用对螺旋离心泵流场影响的数值分析

为研究流固耦合作用对螺旋离心泵内部流场的影响,以ZJ200-25型螺旋离心泵为研究对象,应用计算流体力学软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对螺旋离心泵进行了考虑内部流场和结构相互作用的两场交替联合求解,并以相同的设置对不考虑流固耦合作用的内部流场进行了计算.对比分析两种计算方法得到的流场发现,考虑流固耦合作用后:泵进口处的压力波动加剧,出口压力波动强度降低,进出口波动频率不变,但相位有改变;速度分布满足共同的规律,但在小流量工况下差别最大,同时在叶片与隔舌处于相干位置时,隔舌附近流动也受到明显影响;径向力大小随时间变化规律一致,但波动范围减小;考虑流固耦合作用后叶轮流道内流动更加不对称.     

出口环量分布对混流泵性能的影响

为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度,开展了出口环量分布规律对混流泵性能的影响研究。基于三元反设计理论,将环量V u r在轴面流线方向上的偏导数作为载荷分布的控制参数,根据出口环量分布规律的不同设计了平均型、递增型和递减型3个混流泵叶轮。基于雷诺时均Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多重参考坐标系模型对泵内流场进行数值模拟,对泵的效率、空化、叶轮出口的总压及轴面速度沿叶高的分布规律进行比较与分析。结果表明:递增型泵效率最高但空化最差,递减型泵性能正好相反;基于变出口环量分布的三元反设计方法能有效控制叶片不同叶高处的做功能力,递增型叶轮出口的总压和轴面速度随半径增加而增加的速度最快。     

湍流模型对混流泵性能预测的影响

为研究不同湍流模型对混流泵外特性预测的影响,选取了一比转数为465的混流泵模型,基于SIMPLEC算法与非结构化四面体网格,通过选取标准k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST k-ω等湍流模型进行了数值计算。预测了扬程系数、效率和轴功率,与试验数据进行了对比,并分析了压力与相对速度分布。研究表明,基于4种湍流模型预测的性能曲线与试验数据的变化趋势基本一致。基于标准k-ε与RNG k-ε模型预测的结果较为接近,而基于k-ω 与SST k-ω模型预测的结果较为接近。对于扬程系数和效率而言,在（0.6~0.9）Qd 下,k-ω与SST k-ω模型预测更为准确,在（0.9~1.3）Qd 下,标准k-ε与RNG k-ε模型预测更为准确。针对本文设计的混流泵模型,在（0.7~0.9）Qd 下选用k-ω模型,在（0.9~1.2）Qd 下选用标准k-ε模型,则可确保性能预测精度在±5%范围内,满足工程计算的要求。     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.