离心泵液固耦合分析与数值模拟

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　　摘要：离心泵工作过程中，由于高速旋转作用，泵内流场结构不停发生改变，因此造成叶轮所受载荷也会随之发生变化而产生流体激振力，引起离心泵叶轮轴的振动。由于液体和固体的相互作用，使得这一过程是一个高度耦合的非线性过程，必须采用液固耦合方法解决。正是基于这种考虑，本文采用液固耦合分析方法，通过对离心泵流道内部流场的三维非定常流动的瞬态CFD模拟与叶轮及叶轮轴的瞬态结构动力学耦合分析。研究叶轮轴的瞬态动力学响应，从而分析离心泵机械结构的力学性能，包括动态变形、动态应力等。

　　1 简介
　　液固耦合问题的关键技术是在CFD求解器和FEM求解器之间通过合适的接口实现压力、位置等数据的交换，并且能够在同一个平台上同时进行仿真。一些学者已经采用数值模拟方法研究液力机构的力学性能。Lee等人采用CFD方法对液压助力转向系统中管路的压力损失及管路中的汽蚀问题进行了研究[1]，Chandrasekhar研究了

　　液压助力转向油泵中的湍流流动，他在模型中考虑了油液的可压缩性[2]。Chandrasekhar在文献中详细介绍了油泵的Reynolds-Stress三维CFD湍流模型，模型中分别考虑了包括油液的可压缩性和温度效应的因素，并采用移动网格技术来模拟泵的旋转运动。Viel采用和Ljubijankic类似的方法研究了如何在LMS Imagine.Lab AMESim和Fluent中实现强耦合仿真的问题，从而来分析某些液压元件在系统工作工程中的瞬态响应[3]。为了向工程师们提供一个他们熟悉的单学科模拟程序的独立接口，德国法兰克福SCAI研究中心于1996年开发出来了MPCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)。自MPCCI首次发布以来，得到了业界主流FEM/CFD厂商的普遍认可和支持，并逐渐成为多物理场耦合领域的业界标准。


　　MPCCI接口软件可以实现不同模拟软件耦合区域的网格量的数据交换，还可以交换不同耦合代码之间的各种值(如动量，能量，材料性质，网格定义量等)，甚至复杂的数据交换细节也可以很容易的通过简单的MPCCI接口来实现。

　　MPCCI主要具有以下功能特点：
　　①创造性地在多领域商业软件之间建立功能强大的连接。
　　②可以分层通信，从而提高了数据的传输效率。
　　③可以进行跨平台运行，硬件资源得到有效地利用。
　　④支持并行和分布式计算功能，从而提高了计算效率。
　　⑤支持大变形网格的网格重构或节点重置。
　　⑥支持不同类型网格间相互匹配和网格相邻节点的搜索与插值功能。

　　2 离心泵液固耦合建模与分析
　　采用液固耦合技术对离心泵进行分析的主要步骤如下：
　　①建立离心泵结构详细的三维几何模型(使用软件包括CATIA、UG、Pro/E等)，并将几何模型转换成通用几何类型如：“*.Iges，*.Step”等，以便于导入有限元前处理软件中构建有限元模型。
　　②建立详细的三维流体几何模型，并将几何模型转换成通用几何类型如：“*.Iges，*.Step”等，与上一步相同，这样做的目的也是为了方便地导入有限元前处理软件中构建有限元模型。
　　③将前两步建立好的三维模型导入有限元前处理软件(如HyperMesh)分别划分结构和流体的网格。
　　④将划好网格的结构有限元模型读入有限元求解器：ABAQUS。
　　⑤定义材料属性，如材料的密度，泊松比，弹性模量等。
　　⑥定义边界条件和载荷(按实际安装方式定义约束边界)。
　　⑦将划好网格的流体模型读入CFD求解器：Fluent。
　　⑧运行多场耦合分析软件MPCCI，定义耦合关系，通过MPCCI启动ABAQUS和Fluent同时求解，自动在耦合域上传递耦合数据(压力、位移)。
　　⑨将求解结果读入后处理软件中观察结果并得出结论。
　　(a)三维结构瞬态动力学模型
　　(b)三维非定常流动CFD模型
　　图1 流体域和固体域模型的建立

　　3 分析结果
　　图2给出了在转速为1400rpm，流量2000m3/min时的分析结果。其中，既显示了流场的压力分布同时也显示了泵的机械结构的应力分布。泵的出口最大压力为1.1MPa，结构的最大应力为160MPa。满足设计要求。
　　图2 液固耦合分析结果
　　图3 轴承的动态径向力
　　图3给出了液固耦合条件下，叶轮轴左端轴承的动态径向力曲线，可为轴承设计提供依据。

　　4 结论
　　叶轮的力学特性是决定泵工作特性的重要指标。泵在工作过程中受到周期性的液力载荷，这种载荷会导致叶轮及叶轮轴的动态变形，从而进一步影响流体的分布，因此，这个过程是一个典型的耦合过程，必须采用液固耦合方法对它进行分析。本文简析了采用液固耦合方法，对离心泵额定工况点进行了分析的过程。试验证明通过该分析得出的结果能够比较真实的反应叶轮工作过程中的动态应力，通过将应力最大值和许用应力比较，证明叶轮及叶轮轴的动态应力满足要求。



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