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流體機(jī)械可靠性研究的傳統(tǒng)方法是通過對流體機(jī)械過流部件進(jìn)行簡化的靜力分析來完成強(qiáng)度分析計算，忽略了流固耦合(Fluid-StructureInteraction，F(xiàn)SI)作用對流體機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行，即“強(qiáng)耦合”。目前流固耦合在水輪機(jī)和風(fēng)機(jī)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(qiáng)耦合優(yōu)化了單流道泵葉輪的振動特性，指出強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(yùn)用ANSYS CFX12.0對導(dǎo)葉式離心泵設(shè)計工況下內(nèi)部流場進(jìn)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(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了分析。
泵設(shè)計參數(shù)為流量900m3/h，揚(yáng)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(jìn)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(jìn)行數(shù)值模擬。采用壓力進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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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