分流葉片離心泵非定常流動及動力學特性分析

張金鳳，王文杰，方玉建，葉麗婷，袁壽其

（江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013）

分流葉片離心泵非定常流動及動力學特性分析

張金鳳，王文杰，方玉建，葉麗婷，袁壽其

（江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013）

為了研究在流固耦合作用下分流葉片對低比轉數離心泵內部非定流動及結構動力特性的影響，以高溫熔鹽泵為研究對象，采用計算流體力學軟件ANSYS CFX12．1和有限元軟件ANSYS Workbench對有／無分流葉片的兩種方案高溫熔鹽泵，進行了考慮泵內部流場和結構場的相互作用的雙向流固耦合求解。對比分析了兩種方案對泵非定常流動及結構動力特性的影響，結果表明：流固耦合作用使得各監測點的壓力脈動和徑向力脈動規律和幅值均發生了明顯變化，說明在該類泵的流場模擬中，流固耦合作用較明顯，不可忽視；分流葉片的添置減小了流場內壓力脈動及徑向力脈動幅值；帶分流葉片轉子的變形量變化梯度、等效應力變化梯度、最大變形量及最大應力值均小于不帶分流葉片轉子，且帶分流葉片轉子等效應力隨時間的變化也明顯小于不帶分流葉片轉子。即分流葉片的添置不僅有利于提高轉子的承載能力，而且還有利于改善轉子的變形和受力，從而提高轉子的抗疲勞能力。

分流葉片；熔鹽泵；雙向流固耦合；非定常流動；結構動力特性

泵是一種高溫熔鹽的輸送設備，用于高溫硝酸鹽、亞硝酸鹽、離子膜燒堿的輸送，并廣泛用于三聚氫胺、制鹽、制堿及尿素等化工流程。熔鹽泵在高速運轉過程中需要承受由于離心力、流體作用力等作用而產生的應力。

目前，流固耦合理論在旋轉機械領域應用較為成熟。Rodriguez等［1］提出了一種附加質量的計算方法，并在空氣中和靜水兩種環境下對水輪機轉輪進行了模態試驗。張立翔等［2］對水輪機葉片流固耦合振動分析進行了理論推導，并對水輪機進行了計算與試驗，計算值與試驗值吻合較好。羅永要等［3］采用CFD和FEA軟件對混流式水輪機轉輪在水介質中的模態特性進行了流固耦合計算研究。而且國內外學者在離心泵雙向流固耦合的研究中已取得大量成果，Benra等［4］利用CFD和有限元分析軟件對單葉片離心泵采用流固耦合計算方法分析了轉子振動位移和所受的水力激勵。裴吉等［5］采用雙向流固耦合方法對離心泵內流場和葉輪結構響應進行聯合求解，研究了流固耦合作用對離心泵內部流場的影響。劉厚林等［6］針對導葉式離心泵采用單向和雙向流固耦合計算方法，并對葉輪進行了強度分析。

分流葉片設計方法采用了長、短葉片間隔布置，可有效改善葉輪內流場分布，是改善離心泵葉輪機械綜合性能的有效途徑之一。國內外學者對帶分流葉片離心泵進行了大量研究，主要是分流葉片的設計方法以及對帶分流葉片的離心泵內流場的數值模擬、PIV測試和性能試驗研究等方面［7－10］。然而，目前對帶分流葉片的離心泵數值模擬的研究中，沒有考慮到結構場與泵內部流場的相互影響。

由于低比轉數高溫熔鹽泵內部的流動十分復雜，流體與葉輪之間存在著相互作用：一方面，在流體壓力載荷的作用下，葉輪會產生變形；另一方面，葉輪的變形反過來會影響流場的分布，從而改變流體載荷的分布和大小。因此，將流體與結構單獨求解，可能導致低比轉數高溫熔鹽泵內流場和流動誘導振動分析結果與實際不相符。

因此，本文采用計算流體力學軟件CFX12．1和有限元軟件ANSYS Workbench 12．1求解器，對設計工況下相同工作溫度（以700℃為例）的有／無分流葉片低比轉數高溫熔鹽泵分別進行考慮內部流場和結構場相互作用的兩場交替聯合求解，研究葉輪變形對有／無分流葉片低比轉數高溫熔鹽泵內部流場的影響規律，并將流場計算得到的瞬態載荷加載到泵轉子上進行瞬態動力學分析，從而得到泵轉子的瞬態應力及位移特性。

1 計算模型與數值模擬

1.1 模型泵方案設計

某系統用高溫熔鹽泵模型設計性能參數為：流量Q＝15 m3／h，揚程H＝45 m；設計限制及要求：受一些冷卻機構限制，該泵潛于泵罐內，罐體直徑為1 m；其結構是長軸液下泵，對泵的結構變形和受力等十分敏感。

根據上述設計要求，選擇設計轉速n＝2 900 r／min，計算比轉數ns＝39，屬于典型的低比轉數離心泵范疇，設計了兩個葉輪方案，其中方案一為4葉片普通離心葉輪設計方案，方案二是在方案一的基礎上進行的優化，即在方案一的長葉片之間添置了向長葉片背面偏置且進口直徑為0．75D2的分流葉片。

輸送介質為FLiNaK熔鹽：700℃下密度為2．02 g／cm3、粘度為2．9 cP。模型泵葉輪和軸的材料為Hastelloy C－276合金，密度為8 890 kg／m3，彈性模量為208 GPa，泊松比為0．307。

1.2 網格劃分

采用Pro／E 5．0對高溫熔鹽泵進行三維全流場造型，將模型導入ICEM CFD軟件，采用非結構化四面體網格進行網格劃分，并在隔舌處進行加密，網格總數約為130萬左右，滿足網格無關性要求，如圖1（a）、（b）、（c）所示。固體區域有限元網格在ANSYS Workbench中生成，網格單元數為475504，如圖1（d）所示。

圖1 計算域網格Fig．1 The computational mesh

1.3 數值模擬方法

應用ANSYS CFX軟件進行全流場數值模擬，采用標準k－ε湍流模型進行求解，進口邊界條件設定為速度進口，出口邊界條件設定為平均靜壓。固體壁面設定為無滑移邊界條件，固體壁面粗糙度0．012 5 mm。葉輪和蝸殼之間的交界面設為Frozen Rotor，網格結點的匹配方式設定為GGI模式。

在進行雙向流固耦合求解時，設置如下：

（1）在Workbench的Transient Structure模塊中設置結構的材料屬性、耦合交界面、約束等信息，并生成以．inp為后綴的結構場設置文件。將CFX求解器中的外部求解器耦合功能（External Solver Coupling）設置為ANSYS MultiField，并讀入結構場設置文件；

（2）在流固耦合的作用下，流體計算網格會發生變形，因此，需要對流場的計算域進行動網格設置，即將網格移動（Mesh Motion）設置為ANSYS MultiField，CFX從ANSYS求解器接收網格的變形信息（Total Mesh Displacement），而ANSYS求解器接收CFX計算的力載荷（Total Force）；

（3）由于雙向流固耦合的計算量較大，因此，選擇相對較大的時間步長進行計算。在流場及結構場的設置中均以葉輪旋轉18°作為一個時間步長，每個時間步長為0．001 034 48 s，每20個時間步長為一個旋轉周期，葉輪旋轉5個周期，總計算時間為0．103 448 28 s，并選取第5周期的計算結果進行流場及結構動力特性分析。

為分析流道內不同位置的壓力隨時間的變化情況，在低比轉數高溫熔鹽泵葉輪－蝸殼交界面、葉輪進口及蝸殼出口處布置了22個測點，如圖2所示。

圖2 壓力監測點布置Fig．2 the distributions of the monitors

2 外特性分析

圖3顯示了兩種方案模擬揚程和模擬效率的對比。從圖中可以看出，兩個方案的模擬揚程均能滿足設計要求，且方案A的揚程明顯高于不帶分流葉片設計方案。在小流量工況下，方案B的效率略微有所下降，但最高效率點卻往大流量方向偏移，且方案B的高效區比方案A的寬，因此帶分流葉片的葉輪可以加大泵的運行范圍。

圖3 方案A與方案B的性能對比Fig．3 The comparision of plan A and B

3 考慮流固耦合前后模擬結果對比

為了分析泵內壓力脈動和徑向力特性，分別定義無量綱壓力系數Cp和徑向力系數K：

式中，Δp為監測點靜壓與參考壓力之差，取參考壓力等于101 325 Pa；ρ為密度，取2 020 kg／m3；u2為葉輪出口圓周速度；F為徑向力。

3.1 熔鹽泵流道內非定常壓力脈動分析

分析了設計工況下有／無分流葉片熔鹽泵在各監測點處的壓力脈動隨時間變化的曲線，其中進口和隔舌監測點處的壓力脈動變化最明顯，出口監測點的壓力脈動幅值相對較小，如圖4所示。尤其對于無分流葉片的方案A，考慮流固耦合作用后，監測點處的壓力脈動發生了明顯變化，且無特定規律，脈動幅值顯著增大；帶分流葉片的方案B壓力脈動規律基本保持不變，但脈動幅值略有降低，說明在該類泵的流場模擬中，流固耦合作用較明顯。

且方案B的各監測點的壓力脈動幅值均小于無分流葉片方案A，且脈動規律相對更加均勻，均出現了明顯的8個波峰波谷，說明分流葉片的添置使得葉片與蝸殼動靜干涉作用減弱，使得葉輪的變形情況得到了有效改善，從而也減弱了葉輪變形對流場的影響。

3.2 葉輪徑向力分析

圖5是流固耦合前后的徑向力脈動時域圖，二者存在較大差異。對于葉輪方案A，流固耦合后的徑向力脈動無特定規律，且徑向力明顯減??；對于帶分流葉片葉輪方案B，流固耦合前后的徑向力脈動曲線脈動規律較為一致，但耦合后波峰位置下移，波谷位置上移，脈動幅值明顯減小。說明流固耦合作用對葉輪徑向力的影響不可忽略，且分流葉片的添置減弱了流固耦合作用對葉輪徑向力的影響。因而后續分析均采用考慮了雙向流固耦合作用的計算結果。

4 轉子瞬態結構動力特性分析

4.1 轉子最大變形量分析

設計工況下有／無分流葉片轉子最大變形量和最大等效應力隨時間變化的情況，如圖6和7所示?？梢钥闯?，有／無分流葉片轉子的最大變形量和最大等效應力均隨著計算時間的推移變化不大，說明計算結果已趨于穩定。但添置分流葉片后，轉子的最大變形量和最大等效應力均明顯地減小，進一步證實了分流葉片對轉子變形和受力的改善作用。

4.2 轉子瞬態變形分布

圖8為第五周期有／無分流葉片轉子各個時刻變形分布圖。從圖中可以看出，各時刻下轉子的變形分布圖基本一致，均呈中心對稱分布。對比兩種模型的變形分布圖可知，二者的最小變形量均出現在軸心處，但無分流葉片的轉子變形量明顯大于有分流葉片的轉子變形量，且其最大變形量出現在葉輪出口靠近葉片吸力面處，而帶分流葉片轉子的最大變形量則均勻分布于葉輪出口處，這是因為分流葉片的添置使得葉輪出口處的流動變得均勻，從而提高了葉輪出口處變形量分布的均勻性。

圖4 設計工況下監測點壓力脈動Fig．4 The pressure fluctuation distributions of the monitors at the design condition

圖5 葉輪徑向力時域圖Fig．5 The time domain of radical force of the impeller

圖6 轉子最大變形量時域圖Fig．6 The time domain of the maximum deformation of the rotor

圖7 轉子最大等效應力時域圖Fig．7 The time domain of maximum equivalent stress of the rotor

圖8 轉子各時刻變形分布Fig．8 The deformation distribution of the rotor

圖9 轉子各時刻等效應力分布Fig．9 The equivalent stress distribution of the rotor

4.3 轉子各時刻等效應力分布

圖8為第五周期有／無分流葉片轉子各個時刻等效應力分布情況?？梢钥闯?，各時刻下的等效應力分布基本一致，且應力值變化很小，表明轉子所受的交變應力較小，不容易產生疲勞破壞。對比可知，添置分流葉片后，轉子的等效應力變化梯度及最大值均減小，且等效應力值隨時間的變化也明顯減小，說明分流葉片的添置不僅有利于提高轉子的承載能力，而且還有利于提高轉子的抗疲勞能力。

5 結 論

本文采用雙向流固耦合方法，分析了不同工況下有／無分流葉片兩方案的非定常全流場流動特性及轉子瞬態結構動力特性，主要結論有：

（1）對比考慮流固耦合前后的壓力脈動和徑向力分布規律可知，流固耦合作用使得各監測點的壓力脈動和徑向力脈動規律和幅值均發生了明顯變化，說明在該類泵的流場模擬中，流固耦合作用較明顯；添置分流葉片的方案B的各監測點的壓力脈動和徑向力幅值均小于無分流葉片方案A，且脈動規律相對更加均勻。

（2）方案A和方案B的轉子的最大變形量和最大等效應力均隨著計算時間的推移而降低；方案B的轉子的最大變形量和最大等效應力均比方案A的要小，說明分流葉片的添置可改善轉子變形和受力。

（3）各個時刻下，方案A的轉子的變形量變化梯度、等效應力變化梯度、最大變形量及最大應力值均小于方案B的轉子，說明分流葉片不僅有利于提高轉子的承載力，而且還有利于減小作用在轉子上的交變應力，從而提高轉子的抗疲勞能力。

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Influence of splitter blades on unsteady flow and structural dynamic characteristics of a molten salt centrifugal pump

ZHANG Jin-feng，WANG Wen-jie，FANG Yu-jian，YE Li-ting，YUAN Shou-qi
（Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

In order to investigate the effect of splitter blades on unsteady flow and structural dynamic characteristics of a molten salt centrifugal pump，the directly coupled method considering interaction of fluid and structure was applied to compare the unsteadiness and structural dynamic characteristics of the pump with and without splitter blades by using ANSYS CFX 12．1 and ANSYS Workbench．By comparing the results of the unsteady flow and the structural characteristics，it was shown that the results of pressure fluctuation and the radical trust change greatly，the effect of FSI is very obvious，it cannot be ignored；the pressure fluctuation，the radical trust，the maximum equivalent stress fluctuations，the maximum deformation fluctuations，the equivalent stress distribution，and the maximum stress and the maximum deformation of the pump with splitter blades are smaller than those of the pump without splitter blades，so the splitter blades can improve the impeller loads and the capability of anti-fatigue．

splitter blade；molten salt pump；FSI；unsteady flow；structural dynamic characteristics

TH311

A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．23．007

國家科技支撐計劃項目（2011BAF14B04）；國家自然科學基金資助項目（51009072）

2013－11－08 修改稿收到日期：2014－01－02

張金鳳女，副研究員，1981年2月生