基于單向流固耦合的混流泵減重技術研究

王學敏，裴韓生，丁敏，劉旭輝

(1.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418；2.江蘇藍升泵業科技有限公司，江蘇蘇州 215211)

0 前言

混流泵具有占地面積少、抗氣蝕性能好、安裝維修方便以及效率高等特點，混流泵質量大會造成搬運不便，應用輕質材料是減重的主要措施之一，但需要綜合考慮混流泵工作狀態下的性能和強度是否滿足設計要求。隨著CFD仿真技術在泵中的廣泛使用，國內外學者開展了諸多研究。吳忠等人[1]利用流固耦合研究了雙向軸流泵的固有振動頻率，對泵的結構進行了優化；賀玉珍、郭艷磊[2]利用流固耦合分析了軸流泵內的壓力波動，獲得了雙向軸流泵內的振動特性；魏武國[3]利用流固耦合分析了燃油泵耦合振動的振型和頻率；安曉東等[4]利用耦合研究了高壓環境下柱塞泵結構對供油過程的影響；WANG等[5]基于雙向迭代FSI法分析了管式泵葉片的應力、應變、變形和速度分布；王淑生等[6]采用了流固耦合方法對設計工況下葉輪的等效應力和形變進行了研究；關曉等人[7]通過對筒型泵的泵殼和泵蓋進行優化設計，通過減少泵殼體的厚度提出了可行的優化方案；劉棟等人[8]采用流固耦合計算了離心泵內固體顆粒對葉輪的磨損，并進行了優化設計。

本文作者以自主開發的混流泵作為研究對象，基于CFD仿真流固耦合技術，分析混流泵的外特性曲線性能，通過流固耦合交界面將流場壓力分布數據加載到結構域中進行強度分析，并計算不同材料下混流泵葉輪及導葉的應力和形變，對多種輕質材料在結構域中的應用方案進行定量評估。

1 計算模型

1.1 設計模型

CFturbo是一款專業的葉輪機械設計商業軟件，結合了旋轉機械設計理論與大量工程設計經驗，能夠快速準確地進行葉輪類機械的流道設計開發。文中基于CFturbo軟件完成了混流泵的流道設計，設計參數為：流量Q=600 m3/h、揚程H=10 m、轉速n=3 000 r/min，其主要設計結果如下：葉輪直徑D2=172 mm、輪轂直徑Dh=25 mm、葉輪寬Hd=53 mm、葉片數Z=6、導葉數Zd=6。文中開發的混流泵如圖1所示。

圖1 開發的混流泵結構

1.2 網格模型

該混流泵的流體域由進口流道、出口流道、葉輪流道、導葉流道組成，在較復雜的葉輪和導葉流道采用了六面體和多面體混合網格以獲得更好的適應性，在葉輪和導葉流道曲率較大的區域進行了網格加密處理；模型的進、出口流道長度為3倍的葉輪直徑，以確保流體流動的充分發展；為了減少計算成本，在進、出口流道采用六面體網格。通過網格無關性驗證方法確定內部流場總網格數為1.351×106，其中葉輪、導葉流道網格8.53×105、進口流道網格2.4×105、出口流道網格2.58×105，如圖2(a)所示。

圖2 流體域(a)和結構域(b)網格模型

結構域由葉輪與導葉固體組成，通過將流體域計算所得的壓力場施加到對應的結構域交界面上用于結構強度分析，文中采用四面體網格以適應其復雜的結構，其網格總數為4.57×105，其中葉輪域2.2×105、導葉域2.37×105，如圖2(b)所示。

2 材料設置及邊界條件

2.1 材料設置

文中選擇QT-500鋼、鋁合金、鈦合金和非金屬聚四氟乙烯[9]作為結構域的材料，將QT-500鋼以外的3種材料定義為輕質材料，材料的主要屬性如表1所示。

表1 四種材料的性能

文中以QT-500鋼作為初始設計材料，基于CFD仿真流固耦合技術探索輕質材料在結構域中應用的可能性，提出6種組合方案，如表2所示。

表2 六種輕質材料在結構域中應用的組合方案

2.2 邊界條件

2.2.1 流體域邊界條件

流體介質為25 ℃水，進出口邊界分別為壓力進口和質量流量出口，參考壓力為0.1 MPa，葉輪所在流體域設置為旋轉區域，轉速為3 000 r/min，進口、導葉、出口段均為靜止流體域，旋轉域與靜止域之間的交接面為Frozen Rotor，計算壁面為無滑移壁面，近壁面采用標準的壁面函數，殘差收斂因子為10-5。

湍流模型采用SSTκ-ω模型，其方程表達式為

(1)

Dω+Sω

(2)

式中：κ是湍動能；ω是耗散率；Gκ是湍流動力學的一個有效項；Gω是湍流分解率的一個產生項；Гκ為κ的有效擴散系數；Гω為ω的有效擴散系數；Yκ是κ的耗散項；Yω是ω的耗散項；Dω是交叉擴散項；Sκ和Sω是源項。

2.2.2 結構域邊界條件

對于結構域而言，外載荷是流體壓力對結構表面的作用力，為了實現對結構域壓力載荷的施加，將流體域中葉輪葉片與導葉葉片的工作面設置為流體交界面，結構域中葉輪葉片、導葉葉片與流體域中對應的工作面設置為固體交界面，根據葉輪實際轉動情況將葉輪與軸的接觸面定義為相應的固定面約束。文中以ANSYS Workbench平臺實現流體域與結構域的耦合求解，求解流程如圖3所示。文中從混流泵的外特性曲線性能、結構域的應力與形變3個方面，對輕質材料在混流泵中的應用進行評估。

圖3 單向流固耦合計算流程

3 實驗驗證

由于文中開發的混流泵流量較大，試驗臺無法滿足要求，利用上海應用技術大學離心泵性能試驗臺。離心泵試驗平臺如圖4所示?；诂F有離心泵的參數，利用CFturbo逆向設計方法，設計的離心泵的仿真結果與實驗結果對比如圖5所示。結果顯示：在該泵設計流量26 m3/h的0.8～1.2倍流量下實驗，仿真的揚程與實驗結果的誤差為0.8%～2.6%，證明文中設計方法的正確性。

圖4 離心泵性能實驗平臺

圖5 CFD仿真與實驗結果對比

4 計算結果及分析

4.1 性能分析

文中開發的混流泵采用QT-500鋼材作為設計材料時，仿真的外特性曲線如圖6所示，可知：混流泵的效率隨流量的不斷增加先增大后減小，在設計流量下效率達到最大值67%；揚程隨工作流量的增加不斷減少，設計流量下揚程為14.8 m；軸功率跟工作流量成反比關系。上述揚程、效率和軸功率隨流量變化的趨勢與文獻[10]中相同，計算獲得的實際揚程優于設計值。

圖6 QT-500鋼混流泵外特性曲線

由于單向流固耦合不考慮結構域形變對流體域產生的影響，因此葉輪采用不同材料時對混流泵的性能影響較小，所以該混流泵結構域采用輕質材料同樣滿足設計的性能要求；同時輕質材料的結構域在進行結構應力分析時可采用相同的流體域壓力分布數據。

4.2 結構強度分析

葉輪是旋轉機構，工作過程中流體對葉輪產生的作用力最大，因此結構域采用輕質材料時需要對葉片進行強度校核，包括應力分析和形變分析。

4.2.1 應力分析

首先以QT-500鋼為結構域材料，在0.8～1.2倍設計流量下對結構域進行流固耦合應力分析，葉輪與導葉的應力分布如圖7所示。

圖7 QT-500鋼結構域應力分布

由圖7可知：在不同流量下，葉輪應力分布的規律基本相同，內部流場產生的應力最大值發生在葉輪進口靠近輪緣處，其主要原因是在葉輪進口靠近輪緣處的線速度最大，導致流體在此處的流速最大，從而產生的應力增大；相反地，由于輪轂處的流速較小，流動較為平緩，因此葉片輪轂處的應力最小。其中，在1.0倍設計流量工況下，輪緣處最大應力值為42.4 MPa，輪轂處最小應力值為0.08 MPa；同時，隨著流量的不斷增加，葉輪受到的最大應力值不斷降低，這與混流泵的軸功率與流量成反比有關(如圖6所示)，隨著流量的增大，流體所需的輸入能量反而降低，從而導致葉輪受到的應力也減小。

另外，導葉的應力分布在不同流量下的變化規律也基本相同，內部流場產生的應力最大值發生在導葉進口處，其主要原因是：導葉進口處受到葉輪產生的高速水流的沖擊，從而產生較大的應力。在1.0倍設計流量工況下，導葉進口處最大應力為18.07 MPa，隨著流量的不斷增加，導葉受到的最大應力值不斷降低，并且最大應力值遠小于葉輪的最大應力值。由于單向流固耦合不考慮結構域形變對流體域的影響，因此，葉輪與導葉采用不同材料的應力分布規律和數值大小也基本相同。

文中將安全系數作為評估混流泵結構強度是否滿足安全性能的指標，定義為材料的屈服強度與計算的最大應力的比值，葉輪和導葉在不同流量下的安全系數計算值如表3所示?？芍涸?.8～1.2倍設計流量下最大應力遠小于材料的最大屈服強度，葉輪安全系數為6.59～11.84，導葉安全系數為8.86～112.5，葉輪和導葉采用QT-500鋼在設計流量下的安全系數都遠大于1，滿足設計要求。

表3 不同流量下QT-500鋼葉輪與導葉最大應力與 安全系數

綜上，隨著流量的增加，結構域最大應力值會逐漸降低，在0.8倍設計流量下結構域受到的應力最大，其安全系數最小。因此文中只對0.8倍設計流量下結構域采用輕質材料的結構強度進行分析，安全系數的計算結果如表4所示?？芍喝~輪與導葉采用鋁合金的安全系數分別為6.77、9.11，采用鈦合金的安全系數分別為14.65、19.7，采用聚四氟乙烯的安全系數最小，分別為1.46、1.97。在0.8～1.2倍設計流量工作流量內，結構域采用3種輕質材料的安全系數均大于1，因此混流泵采用3種輕質材料的結構應力也均滿足設計要求。

4.2.2 形變分析

結構域的形變主要受流體域產生的壓力場影響，由于結構域使用不同材料進行耦合分析時采用了相同的流場壓力分布數據，因此結構域的形變與應力分布趨勢也基本相同，在0.8倍設計流量下葉輪采用相同材料在進口輪緣處產生的形變量最大，形變量從輪緣到輪轂逐漸減小，在輪轂處形變值最??；導葉采用相同材料在進口處產生的形變量最大。圖8所示為葉輪采用4種不同材料的形變值隨流量的變化關系曲線，其變化趨勢與應力隨流量的變化一致，其結果與上述的理論分析吻合。

圖8 不同流量下4種材料葉輪形變曲線

在0.8倍設計流量下，6種輕質材料組合方案的結構域形變分布如圖9所示?？梢钥闯觯喝~輪的最大形變也均發生在葉片進口輪緣處，導葉的最大形變也同時發生在進口處。6種方案中葉輪與導葉的最大變形量計算結果如表5所示，其中葉輪的最大變形量為0.043～3.63 mm，導葉的最大變形量為0.083～7.19 mm。

表5 六種組合方案減重分析

圖9 六種組合方案形變云圖

對比發現，結構域(葉輪與導葉)采用聚四氟乙烯材料的方案3—5中，葉輪的最大形變量為3.63 mm，導葉的最大形變量為7.19 mm，由于實際應用中葉輪和導葉存在配合關系，為了保證泵的高效率，一般工程上要求的配合間隙不大于3 mm，因此方案3—5的形變量超過了實際工程應用的間隙要求；方案1、2、6中葉輪的最大形變量為0.059 mm，導葉的最大形變量為0.112 mm，遠小于工程應用中葉輪與導葉的配合間隙要求。原設計QT-500鋼材料的混流泵總質量為35.77 kg，在采用輕質材料可行的替代方案中，混流泵的總質量最小為29.74 kg(方案2)，減重比達16.86%；最大為32.08 kg(方案1)，減重比為10.32%。上述研究證明：基于流固耦合技術分析采用輕質材料實現混流泵減重目標的方法是可行的。

5 結論

(1)混流泵應用輕質材料是減重的主要措施之一，文中以CFturbo葉輪機械設計軟件開發了一型混流泵，并提出了在結構域中采用6種輕質材料組合的替代方案?；贑FD仿真單向流固耦合技術，從混流泵的外特性曲線性能、葉輪及導葉的應力與形變3個方面，對6種組合替代方案進行了綜合評估，方案1、2、6中葉輪的最大形變量為0.059 mm，導葉的最大形變量為0.112 mm。上述3種方案的外特性曲線性能及應力也均滿足設計要求，可使該混流泵的減重比達10.32%～16.86%。

(2)結構域采用不同材料時對混流泵的性能影響較小，但是對應力和形變的影響較大；在不同流量下，葉輪與導葉采用不同材料時的最大應力與最大形變分別發生在葉片輪緣處和導葉進口處，并且最大應力值和最大形變量隨流量的增加反而減小。