基于ANSYSWorkbench叶轮叶片流固耦合分析

2016-10-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

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。

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