基于ANSYS Workbench叶轮叶片流固耦合分析.doc

龙源期刊网 基于ANSYS Workbench叶轮叶片流固耦合分析作者：褚鹏飞来源：价值工程2015年第15期摘要： 以离心泵叶轮为研究对象，设定不同的两种工况（120/160L/s），基于Navier-Stokes方程和SST k-？棕湍流模型，构建两者的内流场模型，次而根据其受力建立叶轮叶片的静力平衡方程，设置边界条件，施加载荷，最后求解得出结果。在流场的数值模拟中，由于考虑到离心力及流场对叶片的表面压力的影响，将内流场网格连接CFX模组进行流场模拟。在结构场中，导入CFX计算得出的水压力数值，最后求解得到叶片在两个工况下的应力应变情况。分析结果表明，叶轮叶片都能在两种工况下正常的运行。Abstract： The research object in this paper is centrifugal impeller. Two differentoperating conditions （120/160L/s）are set. The internal flow field model of the two operating conditions are established based on Navier-Stokes equation and SST k-？棕 turbulence model. And then the static equilibriumequation of the impeller blades is built according to the stress to setboundary condition and add load. Finally the result is calculated. In fluidnumerical simulation， as a result of considering the influence of centrifugalforce and rotating fluid on the pressure for blades， flow field simulation iscarried out to the internal flow field grid connection CFX module. Import the waterpressure value calculated by CFX in structure field. Finally the stress-straincondition of the blade under the two working conditions are obtained. Theresults show that the impeller blades can run normally in two conditions.关键词： 离心泵；叶片；流固耦合；CFX；应力应变Key words： centrifugal pump；impeller blades；fluid-solid coupling；CFX；equivalent stress and deformation中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）15-0082-042 结构场计算2.1 载荷施加载荷中涉及的叶片水压力无法在Mechanical中单独施加，采用的是CFX-Post的计算数据连接Static Structure模组，施加水压力，除此之外，还涉及位移约束和离心力。离心载荷是通过插入Inertial选项中的Rotational Velocity，选择的叶轮转速给定为153.93rad/s。位移约束通过插入Inertial选项中的Cylindrical Support，旋转轴段的两个柱面。2.2 求解结果图5中是反映的两种工况下叶片的应力应变云图。工况1（Q=120L/Min）叶片，最小应变位移为6.019810-5m，最大应变位移为1.499110-3m；工况2（Q=160L/Min）叶片，最小应变位移为8.432910-5m，最大应变位移为1.813710-3m。选择任意叶片的两条上缘线，单独选取每个工况的吸力面、压力面的两天缘线进行对比，观察随着流量的增加，等效应力的变化趋势。从图6、7观察到，叶片等效应力并非随着叶缘线而恒定增大的，而是时刻波动；叶缘线285mm（叶根部）应力有加大的跳跃，特别是吸力面上缘线；在工况1至工况2净流量增加40L/Min情况下，不论吸力面还是压力面，叶片所受到的等效应力增加的幅度很小（叶尖和叶根处除外）。3 结论本文通过CFX对离心叶轮进行了单向流固耦合，首先进行了叶轮场的数值模拟，将叶片表面的水压力导入结构场，求得叶片最大等效应力为180.3MPa（工况1）和76.78MPa（工况2），位于吸力面上缘线。两个工况所产生的等效应力并未超出叶轮的屈服应力值，为此该叶轮能在两个工况下正常的工作，但是在设计叶轮是要适当优化叶尖和叶根处的工艺尺寸，以避免应力集中而产生疲劳破坏现象。参考文献：1Yuan S Q，Yuan J P， Liu H L，et al. Advances in design methods and characteristic of internal flow for centrifugal pumps C. ASME 3rd Joint US-European Fluid Engineering Summer Meeting， August 2-4，2010，Montreal，Canada：547-561.2朱伯芳.有限单元法原理和方法M.水利水电出版社，1979：100-131.3斐吉