基于單向流固耦合的混流泵減重技術(shù)研究

王學(xué)敏，裴韓生，丁敏，劉旭輝

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201418；2.江蘇藍升泵業(yè)科技有限公司，江蘇蘇州 215211)

0 前言

混流泵具有占地面積少、抗氣蝕性能好、安裝維修方便以及效率高等特點，混流泵質(zhì)量大會造成搬運不便，應(yīng)用輕質(zhì)材料是減重的主要措施之一，但需要綜合考慮混流泵工作狀態(tài)下的性能和強度是否滿足設(shè)計要求。隨著CFD仿真技術(shù)在泵中的廣泛使用，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多研究。吳忠等人[1]利用流固耦合研究了雙向軸流泵的固有振動頻率，對泵的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化；賀玉珍、郭艷磊[2]利用流固耦合分析了軸流泵內(nèi)的壓力波動，獲得了雙向軸流泵內(nèi)的振動特性；魏武國[3]利用流固耦合分析了燃油泵耦合振動的振型和頻率；安曉東等[4]利用耦合研究了高壓環(huán)境下柱塞泵結(jié)構(gòu)對供油過程的影響；WANG等[5]基于雙向迭代FSI法分析了管式泵葉片的應(yīng)力、應(yīng)變、變形和速度分布；王淑生等[6]采用了流固耦合方法對設(shè)計工況下葉輪的等效應(yīng)力和形變進行了研究；關(guān)曉等人[7]通過對筒型泵的泵殼和泵蓋進行優(yōu)化設(shè)計，通過減少泵殼體的厚度提出了可行的優(yōu)化方案；劉棟等人[8]采用流固耦合計算了離心泵內(nèi)固體顆粒對葉輪的磨損，并進行了優(yōu)化設(shè)計。

本文作者以自主開發(fā)的混流泵作為研究對象，基于CFD仿真流固耦合技術(shù)，分析混流泵的外特性曲線性能，通過流固耦合交界面將流場壓力分布數(shù)據(jù)加載到結(jié)構(gòu)域中進行強度分析，并計算不同材料下混流泵葉輪及導(dǎo)葉的應(yīng)力和形變，對多種輕質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)域中的應(yīng)用方案進行定量評估。

1 計算模型

1.1 設(shè)計模型

CFturbo是一款專業(yè)的葉輪機械設(shè)計商業(yè)軟件，結(jié)合了旋轉(zhuǎn)機械設(shè)計理論與大量工程設(shè)計經(jīng)驗，能夠快速準(zhǔn)確地進行葉輪類機械的流道設(shè)計開發(fā)。文中基于CFturbo軟件完成了混流泵的流道設(shè)計，設(shè)計參數(shù)為：流量Q=600 m3/h、揚程H=10 m、轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，其主要設(shè)計結(jié)果如下：葉輪直徑D2=172 mm、輪轂直徑Dh=25 mm、葉輪寬Hd=53 mm、葉片數(shù)Z=6、導(dǎo)葉數(shù)Zd=6。文中開發(fā)的混流泵如圖1所示。

圖1 開發(fā)的混流泵結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格模型

該混流泵的流體域由進口流道、出口流道、葉輪流道、導(dǎo)葉流道組成，在較復(fù)雜的葉輪和導(dǎo)葉流道采用了六面體和多面體混合網(wǎng)格以獲得更好的適應(yīng)性，在葉輪和導(dǎo)葉流道曲率較大的區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理；模型的進、出口流道長度為3倍的葉輪直徑，以確保流體流動的充分發(fā)展；為了減少計算成本，在進、出口流道采用六面體網(wǎng)格。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證方法確定內(nèi)部流場總網(wǎng)格數(shù)為1.351×106，其中葉輪、導(dǎo)葉流道網(wǎng)格8.53×105、進口流道網(wǎng)格2.4×105、出口流道網(wǎng)格2.58×105，如圖2(a)所示。

圖2 流體域(a)和結(jié)構(gòu)域(b)網(wǎng)格模型

結(jié)構(gòu)域由葉輪與導(dǎo)葉固體組成，通過將流體域計算所得的壓力場施加到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)域交界面上用于結(jié)構(gòu)強度分析，文中采用四面體網(wǎng)格以適應(yīng)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格總數(shù)為4.57×105，其中葉輪域2.2×105、導(dǎo)葉域2.37×105，如圖2(b)所示。

2 材料設(shè)置及邊界條件

2.1 材料設(shè)置

文中選擇QT-500鋼、鋁合金、鈦合金和非金屬聚四氟乙烯[9]作為結(jié)構(gòu)域的材料，將QT-500鋼以外的3種材料定義為輕質(zhì)材料，材料的主要屬性如表1所示。

表1 四種材料的性能

文中以QT-500鋼作為初始設(shè)計材料，基于CFD仿真流固耦合技術(shù)探索輕質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)域中應(yīng)用的可能性，提出6種組合方案，如表2所示。

表2 六種輕質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)域中應(yīng)用的組合方案

2.2 邊界條件

2.2.1 流體域邊界條件

流體介質(zhì)為25 ℃水，進出口邊界分別為壓力進口和質(zhì)量流量出口，參考壓力為0.1 MPa，葉輪所在流體域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進口、導(dǎo)葉、出口段均為靜止流體域，旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的交接面為Frozen Rotor，計算壁面為無滑移壁面，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，殘差收斂因子為10-5。

湍流模型采用SSTκ-ω模型，其方程表達式為

(1)

Dω+Sω

(2)

式中：κ是湍動能；ω是耗散率；Gκ是湍流動力學(xué)的一個有效項；Gω是湍流分解率的一個產(chǎn)生項；Гκ為κ的有效擴散系數(shù)；Гω為ω的有效擴散系數(shù)；Yκ是κ的耗散項；Yω是ω的耗散項；Dω是交叉擴散項；Sκ和Sω是源項。

2.2.2 結(jié)構(gòu)域邊界條件

對于結(jié)構(gòu)域而言，外載荷是流體壓力對結(jié)構(gòu)表面的作用力，為了實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)域壓力載荷的施加，將流體域中葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片的工作面設(shè)置為流體交界面，結(jié)構(gòu)域中葉輪葉片、導(dǎo)葉葉片與流體域中對應(yīng)的工作面設(shè)置為固體交界面，根據(jù)葉輪實際轉(zhuǎn)動情況將葉輪與軸的接觸面定義為相應(yīng)的固定面約束。文中以ANSYS Workbench平臺實現(xiàn)流體域與結(jié)構(gòu)域的耦合求解，求解流程如圖3所示。文中從混流泵的外特性曲線性能、結(jié)構(gòu)域的應(yīng)力與形變3個方面，對輕質(zhì)材料在混流泵中的應(yīng)用進行評估。

圖3 單向流固耦合計算流程

3 實驗驗證

由于文中開發(fā)的混流泵流量較大，試驗臺無法滿足要求，利用上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)離心泵性能試驗臺。離心泵試驗平臺如圖4所示。基于現(xiàn)有離心泵的參數(shù)，利用CFturbo逆向設(shè)計方法，設(shè)計的離心泵的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖5所示。結(jié)果顯示：在該泵設(shè)計流量26 m3/h的0.8～1.2倍流量下實驗，仿真的揚程與實驗結(jié)果的誤差為0.8%～2.6%，證明文中設(shè)計方法的正確性。

圖4 離心泵性能實驗平臺

圖5 CFD仿真與實驗結(jié)果對比

4 計算結(jié)果及分析

4.1 性能分析

文中開發(fā)的混流泵采用QT-500鋼材作為設(shè)計材料時，仿真的外特性曲線如圖6所示，可知：混流泵的效率隨流量的不斷增加先增大后減小，在設(shè)計流量下效率達到最大值67%；揚程隨工作流量的增加不斷減少，設(shè)計流量下?lián)P程為14.8 m；軸功率跟工作流量成反比關(guān)系。上述揚程、效率和軸功率隨流量變化的趨勢與文獻[10]中相同，計算獲得的實際揚程優(yōu)于設(shè)計值。

圖6 QT-500鋼混流泵外特性曲線

由于單向流固耦合不考慮結(jié)構(gòu)域形變對流體域產(chǎn)生的影響，因此葉輪采用不同材料時對混流泵的性能影響較小，所以該混流泵結(jié)構(gòu)域采用輕質(zhì)材料同樣滿足設(shè)計的性能要求；同時輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)域在進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時可采用相同的流體域壓力分布數(shù)據(jù)。

4.2 結(jié)構(gòu)強度分析

葉輪是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，工作過程中流體對葉輪產(chǎn)生的作用力最大，因此結(jié)構(gòu)域采用輕質(zhì)材料時需要對葉片進行強度校核，包括應(yīng)力分析和形變分析。

4.2.1 應(yīng)力分析

首先以QT-500鋼為結(jié)構(gòu)域材料，在0.8～1.2倍設(shè)計流量下對結(jié)構(gòu)域進行流固耦合應(yīng)力分析，葉輪與導(dǎo)葉的應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 QT-500鋼結(jié)構(gòu)域應(yīng)力分布

由圖7可知：在不同流量下，葉輪應(yīng)力分布的規(guī)律基本相同，內(nèi)部流場產(chǎn)生的應(yīng)力最大值發(fā)生在葉輪進口靠近輪緣處，其主要原因是在葉輪進口靠近輪緣處的線速度最大，導(dǎo)致流體在此處的流速最大，從而產(chǎn)生的應(yīng)力增大；相反地，由于輪轂處的流速較小，流動較為平緩，因此葉片輪轂處的應(yīng)力最小。其中，在1.0倍設(shè)計流量工況下，輪緣處最大應(yīng)力值為42.4 MPa，輪轂處最小應(yīng)力值為0.08 MPa；同時，隨著流量的不斷增加，葉輪受到的最大應(yīng)力值不斷降低，這與混流泵的軸功率與流量成反比有關(guān)(如圖6所示)，隨著流量的增大，流體所需的輸入能量反而降低，從而導(dǎo)致葉輪受到的應(yīng)力也減小。

另外，導(dǎo)葉的應(yīng)力分布在不同流量下的變化規(guī)律也基本相同，內(nèi)部流場產(chǎn)生的應(yīng)力最大值發(fā)生在導(dǎo)葉進口處，其主要原因是：導(dǎo)葉進口處受到葉輪產(chǎn)生的高速水流的沖擊，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在1.0倍設(shè)計流量工況下，導(dǎo)葉進口處最大應(yīng)力為18.07 MPa，隨著流量的不斷增加，導(dǎo)葉受到的最大應(yīng)力值不斷降低，并且最大應(yīng)力值遠小于葉輪的最大應(yīng)力值。由于單向流固耦合不考慮結(jié)構(gòu)域形變對流體域的影響，因此，葉輪與導(dǎo)葉采用不同材料的應(yīng)力分布規(guī)律和數(shù)值大小也基本相同。

文中將安全系數(shù)作為評估混流泵結(jié)構(gòu)強度是否滿足安全性能的指標(biāo)，定義為材料的屈服強度與計算的最大應(yīng)力的比值，葉輪和導(dǎo)葉在不同流量下的安全系數(shù)計算值如表3所示?？芍涸?.8～1.2倍設(shè)計流量下最大應(yīng)力遠小于材料的最大屈服強度，葉輪安全系數(shù)為6.59～11.84，導(dǎo)葉安全系數(shù)為8.86～112.5，葉輪和導(dǎo)葉采用QT-500鋼在設(shè)計流量下的安全系數(shù)都遠大于1，滿足設(shè)計要求。

表3 不同流量下QT-500鋼葉輪與導(dǎo)葉最大應(yīng)力與 安全系數(shù)

綜上，隨著流量的增加，結(jié)構(gòu)域最大應(yīng)力值會逐漸降低，在0.8倍設(shè)計流量下結(jié)構(gòu)域受到的應(yīng)力最大，其安全系數(shù)最小。因此文中只對0.8倍設(shè)計流量下結(jié)構(gòu)域采用輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)強度進行分析，安全系數(shù)的計算結(jié)果如表4所示?？芍喝~輪與導(dǎo)葉采用鋁合金的安全系數(shù)分別為6.77、9.11，采用鈦合金的安全系數(shù)分別為14.65、19.7，采用聚四氟乙烯的安全系數(shù)最小，分別為1.46、1.97。在0.8～1.2倍設(shè)計流量工作流量內(nèi)，結(jié)構(gòu)域采用3種輕質(zhì)材料的安全系數(shù)均大于1，因此混流泵采用3種輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也均滿足設(shè)計要求。

4.2.2 形變分析

結(jié)構(gòu)域的形變主要受流體域產(chǎn)生的壓力場影響，由于結(jié)構(gòu)域使用不同材料進行耦合分析時采用了相同的流場壓力分布數(shù)據(jù)，因此結(jié)構(gòu)域的形變與應(yīng)力分布趨勢也基本相同，在0.8倍設(shè)計流量下葉輪采用相同材料在進口輪緣處產(chǎn)生的形變量最大，形變量從輪緣到輪轂逐漸減小，在輪轂處形變值最?。粚?dǎo)葉采用相同材料在進口處產(chǎn)生的形變量最大。圖8所示為葉輪采用4種不同材料的形變值隨流量的變化關(guān)系曲線，其變化趨勢與應(yīng)力隨流量的變化一致，其結(jié)果與上述的理論分析吻合。

圖8 不同流量下4種材料葉輪形變曲線

在0.8倍設(shè)計流量下，6種輕質(zhì)材料組合方案的結(jié)構(gòu)域形變分布如圖9所示?？梢钥闯觯喝~輪的最大形變也均發(fā)生在葉片進口輪緣處，導(dǎo)葉的最大形變也同時發(fā)生在進口處。6種方案中葉輪與導(dǎo)葉的最大變形量計算結(jié)果如表5所示，其中葉輪的最大變形量為0.043～3.63 mm，導(dǎo)葉的最大變形量為0.083～7.19 mm。

表5 六種組合方案減重分析

圖9 六種組合方案形變云圖

對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)域(葉輪與導(dǎo)葉)采用聚四氟乙烯材料的方案3—5中，葉輪的最大形變量為3.63 mm，導(dǎo)葉的最大形變量為7.19 mm，由于實際應(yīng)用中葉輪和導(dǎo)葉存在配合關(guān)系，為了保證泵的高效率，一般工程上要求的配合間隙不大于3 mm，因此方案3—5的形變量超過了實際工程應(yīng)用的間隙要求；方案1、2、6中葉輪的最大形變量為0.059 mm，導(dǎo)葉的最大形變量為0.112 mm，遠小于工程應(yīng)用中葉輪與導(dǎo)葉的配合間隙要求。原設(shè)計QT-500鋼材料的混流泵總質(zhì)量為35.77 kg，在采用輕質(zhì)材料可行的替代方案中，混流泵的總質(zhì)量最小為29.74 kg(方案2)，減重比達16.86%；最大為32.08 kg(方案1)，減重比為10.32%。上述研究證明：基于流固耦合技術(shù)分析采用輕質(zhì)材料實現(xiàn)混流泵減重目標(biāo)的方法是可行的。

5 結(jié)論

(1)混流泵應(yīng)用輕質(zhì)材料是減重的主要措施之一，文中以CFturbo葉輪機械設(shè)計軟件開發(fā)了一型混流泵，并提出了在結(jié)構(gòu)域中采用6種輕質(zhì)材料組合的替代方案?；贑FD仿真單向流固耦合技術(shù)，從混流泵的外特性曲線性能、葉輪及導(dǎo)葉的應(yīng)力與形變3個方面，對6種組合替代方案進行了綜合評估，方案1、2、6中葉輪的最大形變量為0.059 mm，導(dǎo)葉的最大形變量為0.112 mm。上述3種方案的外特性曲線性能及應(yīng)力也均滿足設(shè)計要求，可使該混流泵的減重比達10.32%～16.86%。

(2)結(jié)構(gòu)域采用不同材料時對混流泵的性能影響較小，但是對應(yīng)力和形變的影響較大；在不同流量下，葉輪與導(dǎo)葉采用不同材料時的最大應(yīng)力與最大形變分別發(fā)生在葉片輪緣處和導(dǎo)葉進口處，并且最大應(yīng)力值和最大形變量隨流量的增加反而減小。