流固耦合作用下轴流泵叶片应力和变形分析

流固耦合作用下轴流泵叶片应力和变形分析

轴流泵广泛应用于农业排水、灌溉和大型节水工程。随着大规模水泵站重建项目的建设和大型水泵站的实施，流固耦合轴流泵（fsi）的研究越来越受到重视。轴流泵内部流场和叶片之间存在流固耦合作用。另一方面，叶片在流量损失的影响下形成变形和动态响应。另一方面，叶片变形和动态响应的结果也会影响流场的分布，改变水流负荷的分布和大小。轴流泵内部的流场是复杂的三维非定质流型，随着时间的推移而变化。为了对叶片进行双序列流固耦合，可以实现实际情况。因此，有必要对轴流泵叶片进行双序列流固结合，进行联合求解。目前,流固耦合研究在旋转机械方面已取得一定的成果,但主要以离心泵和水轮机为主,对于轴流泵,流固耦合的研究较少.为了能同时考虑流场与结构之间的相互影响,文中在Workbench平台上,运用CFX和Ansys软件进行双向顺序流固耦合联合求解,对叶片的位移变形和应力分布规律进行预测,分析流固耦合作用对轴流泵扬程和效率的影响,为提高轴流泵的运行稳定性及优化设计提供参考.1流固耦合计算方法1.1括流体方程轴流泵内部流场的数值计算控制方程包括流体域的连续性方程、动量方程以及k-ε模型中的k方程和ε方程,已有很多文献做过介绍,文中不再列出.1.2结构动力学方程利用哈密尔顿(Hamilton)原理建立结构整体的运动方程.考虑流体对叶轮叶片的作用,在液体中离散后弹性体的结构动力学方程为式中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;u,6)u,¨u分别为节点的位移矢量、速度矢量和加速度矢量;F为节点所受的合力,包括自身重力、离心力和流场的压力.1.3流场自适应充放电流场应用CFX软件对流场进行非定常数值计算,网格变形采用软件提供的动网格技术,运用Ansys软件对结构的瞬态动力学进行分析,采用MFS(multifieldsolver)功能实现流场数据与结构场数据的实时交换.具体步骤为:(1)首先求解流体域,获得流场压力分布,并将其加载到结构域上;(2)将结构域的位移变形作为流体域的边界条件,求解流体域的运动方程,获得瞬态的压力、速度分布;(3)根据耦合界面的协调条件,通过载荷传递,将流场分析结果(压力)作用于轴流泵叶片,作为结构域的边界条件,进行结构域的瞬态响应分析;(4)将结构域分析的结果(位移)反馈给流场,如此反复迭代求解,直至叶轮旋转4个周期为止.1.4网格划分方式所研究的模型为ZBM791-1000型轴流泵,模型泵的基本参数分别为流量Qd=330L/s,扬程Hd=4.2m,转速n=1450r/min,叶片数Z=3,导叶叶片数Zg=5.利用Pro/E建模,图1为轴流泵模型.轴流泵流体域包括进水段、转轮段、导叶段和出水段(将出水弯管简化为直管),结构域只考虑叶轮.运用CFX前处理软件ICEM对流体域进行六面体结构网格划分,其中,对进水段和出水段分别采用O-Grid型拓扑结构网格,而导叶和转轮则采用H型拓扑结构网格.在对转轮和导叶划分网格时,先对单个叶片流道进行网格划分,再利用周期性,旋转复制生成整个转轮或导叶的网格.为了准确地进行数值计算,转轮段和导叶段的计算网格适当加密,进、出水段的网格布置较稀疏,以便控制网格总数,且生成对整个计算区域较合理的网格.结构域则应用Ansys软件自带的mesh功能进行有限元网格划分,选择网格划分的方式为Automatic.流体域和结构域的网格如图2所示,其中流体域的网格数为493020,结构域的网格数为125108.流场进口边界条件设置为速度进口,出口设为自由出流;固壁上采用无滑移边界条件,在叶轮叶片及轮毂表面设置动网格,并将相应的结构表面与流体表面相对应;设定流体向结构传递的数据类型为totalforces,结构影响流体区域的方式设定为totalmeshdisplacement;对于叶轮结构响应的计算,约束叶轮上表面的轴向位移和轮毂的径向位移.给定模型泵叶轮结构的材料为铸钢,其特性参数分别为弹性模量E=209GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7580kg/m3.通过三维定常计算得到的定常流场结果作为非定常湍流计算的初始流场.2计算结果和分析2.1压力面为水、面,叶片应力在不同工况下的分布图3为在0.9,1.0和1.1倍设计流量工况下,在t=0.1655s时刻,轴流泵叶片压力面的等效应力(vonmisesstress)分布.由图3可以看出:3个工况下,叶片压力面的最大等效应力均发生在叶片根部与轮毂连接处靠近进水边一侧;叶片出水边及轮缘处应力相对较小,整个叶片的应力分布基本上是以叶片进水边靠近轮毂处为中心,向外递减;随着流量的增大,叶片应力逐渐减小,其原因是随着流量的增大,叶片表面的静压逐渐减小,从而应力也逐渐减小;在同一工况下,叶片吸力面的最大等效应力分布规律与压力面相似,但是应力大小有微小变化.2.2叶片应力随流量的变化规律图4为在0.9,1.0和1.1倍设计流量工况下,在t=0.1655s时刻,耦合作用下的轴流泵叶片压力面位移变形分布.可以看出:3个工况下叶片的最大位移分别为62.54,41.65和19.75mm,叶片的变形随着流量的增大而逐渐减小,这与叶片应力随着流量的变化规律一致;对于单一工况,叶片最大位移发生在叶片进水边轮缘处,这是由于叶片进水边厚度较薄,刚度和强度不足,这同时也说明了由于叶片进水边较为敏感,当其发生振动时,在进水边靠近轮毂处,无法通过弹性变形释放应力,从而在该处形成了应力集中,这与耦合计算得到的叶片最大等效应力分布结果相吻合.叶片吸力面的位移分布规律与压力面相似,但是位移大小有微小变化.图5为叶片最大应力点处的应力时域分布,可以看出:各工况下,在1个旋转周期内叶片最大应力点处的应力呈周期性变化,均出现3个波峰与波谷,与叶轮叶片数目相一致,说明叶片最大应力点处的应力主要受到叶轮叶片数的影响.虽然叶轮最大应力与材料许用应力相比很小,由于其变化呈现周期性,因此需要防止叶片的疲劳破坏.2.3数值结果与试验结果对比将非耦合计算和耦合计算下的数值模拟结果与性能试验结果进行对比,如表1所示.由表1可以看出,无论是否考虑流固耦合的影响,数值模拟得到的扬程和效率变化规律均与试验结果相一致,说明采用数值模拟预测轴流泵性能具有一定的可行性,同时也说明RNGk-ε湍流模型对轴流泵的流场计算具有较好的适用性.但是,2种情况下的数值模拟所得到的扬程和效率均高于试验值,这主要是由于计算时未考虑部分水力摩擦损失和容积损失.在各个工况下,与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用的数值模拟得到的轴流泵扬程和效率均有所下降,但下降幅度较小,说明流固耦合作用对轴流泵的外特性影响较小.3流固耦合作用下叶片的力学性能1)轴流叶轮叶片靠近轮毂处存在明显的应力集中现象,该部位易出现裂纹或断裂.2)流