基于ANSYS Workbench叶轮叶片流固耦合分析

Walker

        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。

        2 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6.0198×10-5m，最大应变位移为1.4991×10-3m；工况2（Q=160L/Min）叶片，最小应变位移为8.4329×10-5m，最大应变位移为1.8137×10-3m。

        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。

来源：CAE技术联盟