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流體機械可靠性研究的傳統(tǒng)方法是通過對流體機械過流部件進行簡化的靜力分析來完成強度分析計算，忽略了流固耦合(Fluid-StructureInteraction，F(xiàn)SI)作用對流體機械可靠性的影響。近年來，流固耦合有限元分析已成為分析流體機械可靠性的重要方法。流固耦合不僅考慮了流體載荷對固體變形的作用，而且還能實現(xiàn)固體變形對流動結(jié)構(gòu)的影響。因此能夠更為精確地分析流體機械的可靠性。流固耦合問題可分為直接耦合、順序耦合和同步求解3種。
直接耦合對所有物理場由一個代碼求解，對計算資源要求較高，還無法在流體機械領(lǐng)域應(yīng)用。順序耦合按照定義好的順序分別對結(jié)構(gòu)場和流場進行求解，即“弱耦合”。同步求解是指結(jié)構(gòu)場和流場求解同步進行，即“強耦合”。目前流固耦合在水輪機和風(fēng)機的可靠性研究中已得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在水泵領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少。Friedrieh分別應(yīng)用弱耦合和強耦合優(yōu)化了單流道泵葉輪的振動特性，指出強耦合可以得到更有意義的結(jié)果。王洋等困用弱耦合對沖壓離心泵葉輪在不同工況下應(yīng)力及變形情況進行了分析。裴吉等對離心泵內(nèi)流場和葉輪結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了同步求解，分析了葉輪流固耦合作用對離心泵內(nèi)流場的影響。
本研究運用ANSYS CFX12.0對導(dǎo)葉式離心泵設(shè)計工況下內(nèi)部流場進行定常數(shù)值模擬，以定常數(shù)值模擬結(jié)果中得流場壓力加載到葉輪上，對葉輪進行靜應(yīng)力強度分析，分析了最大等效應(yīng)力和最大變形的位置以及可能發(fā)生破壞的區(qū)域。采用ANSYS 12.0中的多物理場求解(MFX)功能對導(dǎo)葉式離心泵葉輪進行雙向流固耦合分析，并對最后一個時間步中葉輪上的等效應(yīng)力與順序耦合中葉輪上的等效應(yīng)力進行了比較。同時，對最大等效應(yīng)力節(jié)點A和最大變形區(qū)域的節(jié)點B在葉輪旋轉(zhuǎn)一周過程中，應(yīng)力變化的時域圖以及頻域圖進行了分析。
泵設(shè)計參數(shù)為流量900m3/h，揚程H=79m，轉(zhuǎn)速n=1490r/min。葉輪為閉式葉輪，葉片數(shù)為5，葉輪外徑為506mm。為了能改善流動狀態(tài)并平衡徑向力，在葉輪和壓水室之間設(shè)計安裝了導(dǎo)葉。為防止共振，導(dǎo)葉葉片數(shù)取為7。壓水室為環(huán)形壓水室。
采用icem網(wǎng)格劃分軟件對水體進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分如圖所示，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為578674，網(wǎng)格單元總數(shù)為3166576。應(yīng)用流場分析軟件CFX對導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。采用壓力進口，設(shè)定總壓為1atm，采用速度出口，設(shè)定出口速度為50m/s，定常計算的湍流模型采用標準k-E模型，sealable壁面函數(shù)，對于泵內(nèi)部瞬態(tài)流場大渦模擬方法相比于RAMS方法能得到更好的計算結(jié)果圖，因此，非定常計算采用大渦模擬方法。
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