基于流固耦合的螺旋离心泵流场模拟和结构受力分析

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螺旋离心泵是一种新型的排污泵,主要用于工业和农业的液态、固态及固液两相流的输送,拥有广阔的市场背景和发展前景。螺旋离心泵工作时往往伴随着振动、噪声等不良反应,且其内部流体和结构之间存在着复杂的流固耦合效应。  为了研究螺旋离心泵的内流场和结构的力学特性,本文使用ANSYS+CFX的数值模拟方法对某型号螺旋离心泵进行了单向流固耦合和双向流固耦合。其中单向耦合采用稳态流场和静力学分析相结合的方法,而双向耦合则采用瞬态流场和瞬态结构分析的结合方式。通过这两种方式,本文对流体压力场、速度场以及结构应力进行计算分析,得到的主要成果如下:  (1)对泵内流场在七个不同工况下进行单向耦合模拟,获得并分析了其内流场压力和速度分布图;计算得到的特性参数与王国栋[59]实验数据基本相符,并使用四次多项式拟合了特性曲线;计算了不同工况下的轴向力并绘制成曲线。  (2)叶轮的最大等效应力位于出口处叶片和轮毂连接处,而泵轴的最大应力位于轴颈附近,前者随着流量的增大而减小,后者随流量增大而增大。  (3)对泵在设计工况下进行双向耦合模拟,通过对不同时刻蜗壳压力分布及流线的分析可知,在叶轮出口靠近隔舌时,流体压力和速度减小且叶轮应力值也较小。通过在蜗壳内设置监测点,获得了蜗壳内的压力脉动图。  (4)由双向耦合和单向耦合的对比分析,验证了裴吉[65]双向耦合的压力值总体上略大于单向耦合的结论,且前者速度和特性参数也略大于后者。
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