基于流固耦合的離心泵流動誘導振動特性數(shù)值研究.pdf

1、本文在國家杰出青年科學基金項目“離心泵基礎理論和節(jié)能關鍵技術研究”(編號：50825902)的資助下展開工作。離心泵復雜的內(nèi)部流動與泵部件結(jié)構(gòu)之間存在著相互的作用，即水力激勵作用在結(jié)構(gòu)上會改變結(jié)構(gòu)的動力學特性，并使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這反過來會影響泵內(nèi)部流場的分布。本文首次針對普通離心泵的內(nèi)部流場和振動結(jié)構(gòu)建立了同步交替聯(lián)合求解的流固耦合計算，發(fā)現(xiàn)了流固耦合作用下泵內(nèi)部流場的變化規(guī)律以及葉輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力特性。同時，對離心泵結(jié)構(gòu)的模態(tài)以及

2、葉輪轉(zhuǎn)子在徑向力載荷下的頻率響應進行了研究。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點有：
　　 1.本文探討了離心泵流動誘導振動的水力激勵，主要包括動-靜部件干涉引起的流體力；旋轉(zhuǎn)失速引起的水力激勵；汽蝕現(xiàn)象引起的水力激勵；進、出口回流引起的水力激勵以及幾種其他的機理產(chǎn)生的水力激勵。闡述了離心泵流固耦合問題的求解方法，并探討了流固耦合問題中的ALE方法及其坐標變換過程。
　　 2.采用SSTk-ω湍流模型進行了不同工況下離心泵內(nèi)部三維湍流場

3、的數(shù)值模擬，對泵內(nèi)部流場非對稱性進行了分析。結(jié)果表明，在設計工況下，葉輪各流道內(nèi)的流速分布相似，而偏離設計工況時，葉輪各流道內(nèi)的流速分布不同，0.5Q工況下較明顯；在設計流量和大流量工況下各流道流量份額較接近，小流量工況下各流道內(nèi)流量份額差別明顯，0.5Q工況下差別最大。給出了各工況下作用在葉輪上徑向力的大小和角度的分布規(guī)律：在設計工況下徑向力最小，而偏離設計點流量越大，徑向力也越大；大流量工況下徑向力指向隔舌附近，小流量工況下徑向力矢

4、量在第三象限，設計工況下徑向力矢量出現(xiàn)在第四象限。
　　 3.首次針對普通離心泵的內(nèi)部流場和葉輪轉(zhuǎn)子振動結(jié)構(gòu)建立了同步交替求解的流固耦合計算。通過將流固耦合前后的流場結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn)：葉輪出口處壓力隨著與隔舌相對位置不同呈四個周期的波動，不同工況下流固耦合計算前后波峰壓力值變化不同；蝸殼流道第10斷面處流固耦合前后靜壓分布發(fā)生變化，0.5Q工況下變化最明顯；流固耦合計算前后流線發(fā)生變化，其中0.5Q工況下變化最明顯；大流量和

5、設計流量工況下，考慮流固耦合計算前后所得的徑向力峰值的變化趨勢相同，流固耦合計算所得徑向力峰值略小于沒有考慮流固耦合的計算值，小流量工況下，流固耦合計算所得徑向力峰值大于非流固耦合的計算值；流固耦合計算前后徑向力角度在大流量工況下變化不明顯，在設計流量和小流量工況下變化相對較明顯。通過對所得的葉輪轉(zhuǎn)子變形和應力特性進行對比分析可知：在非設計工況下運行時，結(jié)構(gòu)變形量相對較大，且以軸心呈非對稱分布；葉輪轉(zhuǎn)子徑向偏心量大小呈明顯的四周期分布，

6、設計工況下，波動相對較小，非設計流量下波動明顯；不同工況下離心泵葉輪轉(zhuǎn)子的等效應力和剪切應力隨時間的波動明顯，但應力值較小。
　　 4.對蝸殼和葉輪結(jié)構(gòu)在空氣中的自振特性進行了分析，且在考慮泵內(nèi)部流場對葉片作用的情況下，對葉輪結(jié)構(gòu)在水中的模態(tài)進行了分析，研究了流體壓力載荷對葉輪轉(zhuǎn)子自振特性的影響。由分析可知：葉輪轉(zhuǎn)子在水中的各階振型與在空氣中對應階次的振型相似，但水中的固有頻率小于空氣中的值。最后，在只考慮徑向力的作用下，對葉輪