流固耦合作用对螺旋离心泵流场影响的数值分析

　　为研究流固耦合作用对螺旋离心泵内部流场的影响，以ZJ200-25型螺旋离心泵为研究对象，应用计算流体力学软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对螺旋离心泵进行了考虑内部流场和结构相互作用的两场交替联合求解，并以相同的设置对不考虑流固耦合作用的内部流场进行了计算。对比分析两种计算方法得到的流场发现，考虑流固耦合作用后:泵进口处的压力波动加剧，出口压力波动强度降低，进出口波动频率不变，但相位有改变；速度分布满足共同的规律，但在小流量工况下差别最大，同时在叶片与隔舌处于相干位置时，隔舌附近流动也受到明显影响；径向力大小随时间变化规律一致，但波动范围减小；考虑流固耦合作用后叶轮流道内流动更加不对称。

　　螺旋离心泵是一种传统的无堵塞泵，其核心部件为半开式螺旋形叶轮。这种泵叶片少，叶片薄而相对扭曲，包角大，结构特殊。螺旋离心泵运行过程中，在流场内复杂的水力激励作用下，叶轮会发生变形及振动，变形后的叶轮又会引起流场的改变。以往关于螺旋离心泵内部流动的数值研究中，都没有考虑到结构变形和振动对流场的反作用，而双向流固耦合方法已经被用于普通离心泵内流场的研究中，但还没有在泵领域得到推广，成果有限。

　　目前应用较多的是将流场载荷加载到结构上的单向流固耦合方法，这种方法忽略了阻尼作用，准确度低，常用于求解结构响应的静力学分析。本文使用CFD软件CFX12.1及有限元分析软件ANSYS Workbench对螺旋离心泵进行双向流固耦合数值模拟，对比研究耦合与不耦合各工况下流场压力、速度及叶轮受力的差别，分析流固耦合作用对流场产生的影响。

1、计算模型与模拟方法

　　1.1、模型参数

　　螺旋离心泵模型设计参数为:流量Qd=200m3/h，扬程H=25m，转速n=1450r/min，比转数ns=116，叶片数Z=2。叶轮进口直径D1=160mm，出口直径D2=328mm，出口宽度b2=70mm，蜗壳基圆直径D3=360mm，叶轮外缘与吸水壳体内壁间隙为0.9mm。叶轮材料为不锈钢316L，密度8030kg/m3，弹性模量175GPa，泊松比0.4。

　　1.2、网格生成

　　将螺旋离心泵的三维模型导入网格划分软件ICEM生成计算区域的网格。考虑到螺旋离心泵结构特殊，叶片边缘存在一尖角区域，且计算区域中存在比较复杂的流动，如二次流、交叉流以及小流量工况下的分离旋涡等流动现象，采用六面体网格单元不能保证网格质量和更好地反映这些流动。故采用适应范围更广的四面体网格单元对全流道模型进行网格划分，并对间隙内流体进行局部网格加密处理，流体网格总数为1399178(图1)。转子固体有限元网格在WorkbenchTransientStructure模块中生成，单元数为125662(图2)。

图1 流体区域网格

(a)叶轮计算区域网格(b)蜗壳计算区域网格

图2 固体区域网格

　　1.3、数学模型及模拟方法

　　数值模拟在ANSYSCFX12.1全隐式耦合多网格线性求解器中进行。采用SSTk-ω湍流模型进行非定常全流场计算，采用适宜于瞬态求解的SIMPLEC算法进行求解。进出口边界条件分别定义为速度进口和自由出流，设置参考压力为大气压，给定不同工况下的进口速度进行计算。固体壁面定义无滑移边界条件，粗糙度0.025mm。将进口与叶轮、叶轮与蜗壳间的交界面设置为TransientRotorStator。以叶轮旋转9°作为一个时间步，每个时间步长ΔT=0.001035s，每个旋转周期包含40个时间步。选择5个旋转周期作为采样对象，200步的总时间T=0.207s。

　　在双向流固耦合计算的基础上，以相同的时间步长及设置，进行了不考虑流固耦合作用的解耦计算，以此结果作为参照，能够更直观地对比得出流固耦合作用对流场所产生的影响。

结论

　　(1)流固耦合作用使得进口压力波动强度增大，出口压力波动强度减弱，隔舌处波动紊乱，但流固耦合前后的流场也满足共同的规律，耦合作用并未改变整体流动趋势。

　　(2)不同工况下，流固耦合作用在非设计流量下影响最明显，小流量下对压力影响最明显，大流量下对径向力影响最明显；一个旋转周期内，当叶片与隔舌处于相干位置时，耦合前后的流动差异最大。

　　(3)由于叶轮变形以及质心偏移，破坏了转子结构的对称性，对泵进口处液流形成扰动，并对下游流道内流动形成不同程度的影响，这种影响随时间及空间积累，会在流道内局部产生明显的差别。