多級(jí)潛水泵的葉輪采用多級(jí)串聯(lián)方式工作，一旦設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠或者超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，非常容易遭到破壞。葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的可靠性及安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，對(duì)多級(jí)潛水泵葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析顯得尤為重要。
由于高速旋轉(zhuǎn)，多級(jí)潛水泵葉輪內(nèi)部為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，運(yùn)行中葉輪受到較大的流體壓力，因而會(huì)產(chǎn)生一定量的結(jié)構(gòu)變形。對(duì)于流場(chǎng)引起的結(jié)構(gòu)變形問題，若采用流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)單獨(dú)求解的方法，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況，而流固耦合方法能準(zhǔn)確反映流體-結(jié)構(gòu)變形的相互作用，近年來獲得越來越多的應(yīng)用。目前，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械流固耦合研究方面，已有很多研究成果報(bào)道。但是，目前為止還尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)多級(jí)潛水泵進(jìn)行流固耦合的研究。因此，本文利用ANSYS的Workbench平臺(tái)，對(duì)多級(jí)潛水泵葉輪進(jìn)行單向流固耦合求解，分別計(jì)算出多級(jí)潛水泵葉輪在流體壓力、離心力及兩者共同作用時(shí)的應(yīng)力和變形量分布。分析流量變化對(duì)葉輪應(yīng)力及變形量的影響，并對(duì)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行校核，為多級(jí)潛水泵葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)和固體力學(xué)交叉產(chǎn)生的一門力學(xué)分支，主要涉及固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形對(duì)流場(chǎng)的影響。按處理方法的不同，可以把流固耦合有限元分析方法分為：非耦合方法、弱耦合方法和強(qiáng)耦合方法。在多級(jí)潛水泵中，葉輪大多采用不銹鋼或工程塑料制造，葉輪結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)作用下的變形量一般較小。考慮到多級(jí)潛水泵過流部件邊界非常復(fù)雜，開展強(qiáng)耦合研究比較困難，而采用弱耦合方法中的單向耦合較為可行。因此，本文只研究流場(chǎng)對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的作用，而忽略結(jié)構(gòu)變形對(duì)流場(chǎng)的影響。
以150QJ20型多級(jí)潛水泵葉輪為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)。設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=20 m³/h、單級(jí)揚(yáng)程H=11 m、轉(zhuǎn)速n=2850 r/min。葉輪葉片數(shù)為7，采用扭曲葉片。其葉輪結(jié)構(gòu)示意圖和計(jì)算模型分別如圖所示。
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的介紹，本文所進(jìn)行的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域只要取多級(jí)潛水泵的兩級(jí)三維全流場(chǎng)(包括進(jìn)口段、第1級(jí)葉輪水體、第1級(jí)導(dǎo)葉水體、第2級(jí)葉輪水體、第2級(jí)導(dǎo)葉水體、出口段)即可，結(jié)構(gòu)區(qū)域只考慮葉輪。運(yùn)用Gambit軟件對(duì)流場(chǎng)劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共劃分1635041個(gè)單元。結(jié)構(gòu)域使用ANSYS Workbench軟件中的網(wǎng)格劃分功能，對(duì)葉輪劃分自由網(wǎng)格，共劃分91386個(gè)單元。
流場(chǎng)計(jì)算在Fluent中進(jìn)行，將進(jìn)口段向前延伸1倍葉輪外徑，設(shè)置進(jìn)口端面處來流速度均勻。將出口段向后延伸至2倍葉輪外徑處，出口端面流動(dòng)滿足充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，邊界條件設(shè)置為出流(Outflow)形式。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，SIMPLEC算法，設(shè)進(jìn)口面中心處為壓力參考點(diǎn)，其相對(duì)壓力為零，設(shè)置收斂精度為1×10^-5。設(shè)置無滑移固壁面邊界條件，即壁面上各向速度均為零。對(duì)近壁面的湍流流動(dòng)按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。
多級(jí)潛水泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算控制方程包括流體域的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程。
葉輪所受載荷主要為離心力和表面壓力，離心力通過設(shè)置葉輪密度、重力加速度及旋轉(zhuǎn)速度施加，表面壓力主要為作用在葉輪表面的流體壓力載荷。將葉輪與流體接觸的表面屬性設(shè)置為Fluid SolidInterface，以引入流場(chǎng)的壓力載荷信息。
為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)該型號(hào)的多級(jí)潛水泵進(jìn)行了外特性試驗(yàn)。圖所示為由試驗(yàn)得到的泵效率η及單級(jí)揚(yáng)程H與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比圖，其中Q/Qopt表示實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的比值。從圖中可以看出，模擬預(yù)測(cè)的泵效率隨著流量的增大先增大后減小，在設(shè)計(jì)工況達(dá)到最大值；揚(yáng)程則隨著流量的增大而逐漸減小，預(yù)測(cè)的性能曲線趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。另外，在設(shè)計(jì)工況附近誤差較小，偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)誤差較大，基本驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法是準(zhǔn)確的。

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基于流固耦合的潛水泵葉輪有限元分析