基于ANSYSWorkbench葉輪葉片流固耦合分析

2016-10-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

以離心泵葉輪為研究對象,設定不同的兩種工況(120/160L/s),基于Navier-Stokes方程和SST k-?棕湍流模型,構建兩者的內流場模型,次而根據其受力建立葉輪葉片的靜力平衡方程,設置邊界條件,施加載荷,最后求解得出結果。在流場的數值模擬中,由于考慮到離心力及流場對葉片的表面壓力的影響,將內流場網格連接CFX模組進行流場模擬。在結構場中,導入CFX計算得出的水壓力數值,最后求解得到葉片在兩個工況下的應力應變情況。分析結果表明,葉輪葉片都能在兩種工況下正常的運行。

2 結構場計算

2.1 載荷施加

載荷中涉及的葉片水壓力無法在Mechanical中單獨施加,采用的是CFX-Post的計算數據連接Static Structure模組,施加水壓力,除此之外,還涉及位移約束和離心力。離心載荷是通過插入Inertial選項中的Rotational Velocity,選擇的葉輪轉速給定為153.93rad/s。位移約束通過插入Inertial選項中的Cylindrical Support,旋轉軸段的兩個柱面。

2.2 求解結果

圖5中是反映的兩種工況下葉片的應力應變云圖。工況1(Q=120L/Min)葉片,最小應變位移為6.0198×10-5m,最大應變位移為1.4991×10-3m;工況2(Q=160L/Min)葉片,最小應變位移為8.4329×10-5m,最大應變位移為1.8137×10-3m。

選擇任意葉片的兩條上緣線,單獨選取每個工況的吸力面、壓力面的兩天緣線進行對比,觀察隨著流量的增加,等效應力的變化趨勢。從圖6、7觀察到,葉片等效應力并非隨著葉緣線而恒定增大的,而是時刻波動;葉緣線285mm(葉根部)應力有加大的跳躍,特別是吸力面上緣線;在工況1至工況2凈流量增加40L/Min情況下,不論吸力面還是壓力面,葉片所受到的等效應力增加的幅度很小(葉尖和葉根處除外)。

3 結論

本文通過CFX對離心葉輪進行了單向流固耦合,首先進行了葉輪場的數值模擬,將葉片表面的水壓力導入結構場,求得葉片最大等效應力為180.3MPa(工況1)和76.78MPa(工況2),位于吸力面上緣線。兩個工況所產生的等效應力并未超出葉輪的屈服應力值,為此該葉輪能在兩個工況下正常的工作,但是在設計葉輪是要適當優化葉尖和葉根處的工藝尺寸,以避免應力集中而產生疲勞破壞現象。

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