流固耦合作用对离心泵内外特性的影响.pdf

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1、第28卷第13期农业工程学报822012年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、，01．28No．13Jul．2012流固耦合作用对离心泵内外特性的影响刘厚林，徐欢※，吴贤芳，王凯，谈明高(江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013)摘要：应用双向流同耦合方法对导叶式离心泵的外特性和内流场进行分析，研究流固耦合作用对外特性影响的内流机理。流场的定常数值模拟采用雷诺时均方法和标准^吨湍流模型．非定常数值模拟采用大涡模拟方法，结构响应采用线性瞬态动力学方程。

2、通过对流固耦合前后内部流场的对比，包括叶轮出口处的总压分布和相对速度分布，分析了流崮耦合作用对外特性预测值影响的内流机理。同时，对叶轮出口处的压力脉动进行了分析。结果表明，流固耦合作用产生的叶轮变形，尤其是叶轮出口处的较大变形是导致离心泵外特性预测值变化的主要原因。考虑流固耦合作用后。叶轮出口处压力脉动周期性变化的总体趋势与非流固耦合结果基本一致，但振幅更大。考虑流固耦合作用后的最大压力脉动幅值提高了3．1％。研究结果为离心泵性能预测及流动诱导振动的研究提供参考。关键词：离心泵，流场，模拟，双向流囤耦合，外特性doi：10．3969／j．i

3、ssn．1002—6819．2012．13．014中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012y-13-0082-06刘厚林。徐欢，吴贤芳，等．流固耦合作用对离心泵内外特性的影响[J】．农业工程学报，2012，28(13)：82--87．LiuHoulin，XuHuan，WuXianfang，eta1．Effectoffluid—structureinteractiononinternalandexternalcharacteristicsofcentrifugalpump[J]．Transactionsoft

4、heChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2012，28(13)：82—87．finChinesewithEnglishabstract)0引言离心泵内部流动非常复杂，不稳定流动引起的压力脉动是引起诱导振动噪声的主要因素。流固耦合不仅考虑了流体载荷对固体变形的作用，而且还能实现固体变形对流动结构的影响。因此，能够更为精确地分析流体机械的可靠性和叶轮机械的内部流场。流剧耦合问题可分为直接耦合、顺序耦合和同步求解3种。直接耦合对所有物理场由一个代码求解，对计

5、算资源要求较高，还无法在流体机械领域应用。顺序耦合按照定义好的顺序分别对结构场和流场进行求解，即“弱耦合”。同步求解是指结构场和流场求解同步进行，即“强耦合”。目前，流崮耦合方法在水轮机和风机等叶轮机械的流场和可靠性研究中已得到了较为广泛的应用【141。近年来，流同耦合方法开始应用于泵流动诱导振动噪声领域的研究【7．8】。Kato等【9]在预测多级离心泵振动噪声的研究中使用了单向流固耦合的方法，对泵结构进行了振动分析。Friedricht旧】分别应用弱耦合和强耦合优化了单流道泵叶轮的振动特性，指出强耦合可以得到更有意义的结果。高江永等llI

6、】运用顺序耦合方法对大型双吸离心泵叶轮在收稿日期：2012-01．10修订甘期：2012-02．27基金项目：国家自然科学基金(51079062、51109095，51179075)，江苏省自然科学基金(BK2010346)、江苏省教育厅项目(09KID470002)、江苏大学高级人才科研启动基金(09JDG026)和江苏高校优势学科建设．I：程资助项目作者简介t刘厚林(1971一)，江苏漂水人，研究员。博士生导师，丰要从事水泵现代设计理论与方法的研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Email：liub．oulin@u

7、js．edu．gn※通信作者：徐欢(1987一)，江苏常熟人，主要从事离心泵CFD研究。镇江江苏大学流体机械I：程技术研究中心，212013。Email：rdaqq_1234@126．oom不同工况下的动应力特性进行了分析。王洋等It2-t3]用弱耦合对冲压离心泵叶轮在不同工况下应力及变形情况进行了分析。裴吉等It4-1sl对离心泵内流场和叶轮结构响应进行了同步求解，分析了叶轮流固耦合作用对离心泵内流场的影响。目前，流固耦合方法主要应用于离心泵流动诱导振动的分析，在离心泵性能预测中的应用还很少【16-221，且还未有人对流固耦合作用对外特性

8、影响的内流机理进行研究。本文采用ANSYS12．0软件中的多物理场求解功能对导叶式离心泵叶轮进行双向流同耦合数值模拟。对流固耦合前后的离心泵外特性进行了对比，并结合内流场的变化，