离心泵叶轮流固耦合分析

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中图分类号 ： TH311 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.02.006Fluid-structure Coupnng Analysis of Centrifugal ImpellerZHENG Jun，YANG Chang-ming，ZHU Li，JIA Ning-ning(Xihua University，Chengdu 610039，China)Abstract： AnMysis of centrifugal impeler structure based on fluid-structure interaction theorem.the equivalent stress and de-formation of centrifugal impeler at diferent operation conditions were obtained through the numerical simulation of centrifugal im-peUer structure which was caried out by the multi-physical fields simulation platform- ANSYS Workbench，with ORe-way fluid-structure interaction technique.then，the characteristics of the largest equivalent stress and total deformation under diferent flowrate conditions were investigated.The results showed that the stress of impeler was markedly uneven and the local stress concen-tration appeared in each operation condition.Th e total displacement of the distortion increased constantly fits the radius increasingand it reached the maximum value at the edge of the impeller.The maximal equivalent stress of impeller decreased constantly illsthe flow rate increasing，and it reached the maximum value of 10.581 MPa under the low flow rate condition of 0.4 times of designdischarge；Th e greatest total deform ation decreased first and then increased as the flow rate increasing ，and it reached the mini-mum value of O.0028669mm at the operation conditions.Th e results Can be used to provide numerical basis for structural optimaldesign of centrifugal impeler。

Key words： impeller；fluid-structure interaction technique(FSI)；equivalent stress；total deformation1 前言离心泵是应用最广泛的-种水泵，在农 田排灌、石油化工、城市给排水和船舶工业等国民经济部门中都有广泛的应用。叶轮是离心泵内部的关键过流部件，是离心泵能量转换的核心部件，也是运行过程中最容易破坏的部件。其结构的可靠性对整个系统的安全运行起着重要的影响 l2 J。提收稿日期： 2012-Ol-17基金项目： 国家自然科学基金项 目(51005188)高离心泵叶轮设计的可靠性对我国国民经济的发展具有重要意义。

目前，针对离心泵叶轮改进和优化设计的主要手段是采用数值模拟方法研究叶轮内部流常对其强度计算主要依赖于经验和统计分析，只能采用简化和近似的方法。这些方法对流场压力载荷作了极大简化，无法体现各物理场量之间的相互作用，很难精确得到叶轮的应力及变形情2013年第41卷第2期 流 体 机 械 29(HT200)的抗拉强度极限为240MPa。最大等效应力远远小于材料的许用应力，故在各工况下运行时均满足强度要求；(2)叶轮的最大总变形随流量的增加呈现先减小 后 增 大 的趋 势。在 2Q 工 况下 最 大 为0.0031958 mm，在 设 计 工 况 下 出 现 最 小 值 为0.0028669mm，最大总变形量小于设计运行蜗壳 -叶轮间距2mm。故该离心泵叶轮满足设计需要；(3)从叶轮的最大等效应力及总变形随流量的变化趋势来看，为保证离心泵叶轮的可靠性，应尽量避免离心泵在小流量工况下运行。

6 结论(1)离心泵叶轮受力分布不均，在叶片进 口与内盖板交接处和盖板外缘与叶片交接处都存在应力集中，叶轮结构的改进和优化设计时应对此着重考虑。叶轮的变形随半径的增大而不断增大，在叶轮的边缘达到最大变形量；(2)叶轮的最大等效应力随流量的增加不断减小，最大总变形随流量的增加先减畜增大。

叶轮的等效应力和总变形在小流量工况下都较大，为保证离心泵正常工作，应尽量避免在小流量工况下运行；(3)采用流固耦合方法对离心泵叶轮的应力状态及变形情况进行了仿真，分析获得的数据对离心泵叶轮的结构设计和优化提供了参考。