離心泵液固耦合分析與數值模擬

摘要：離心泵工作過程中，由于高速旋轉作用，泵內流場結構不停發生改變，因此造成葉輪所受載荷也會隨之發生變化而產生流體激振力，引起離心泵葉輪軸的振動。由于液體和固體的相互作用，使得這一過程是一個高度耦合的非線性過程，必須采用液固耦合方法解決。正是基于這種考慮，本文采用液固耦合分析方法，通過對離心泵流道內部流場的三維非定常流動的瞬態CFD模擬與葉輪及葉輪軸的瞬態結構動力學耦合分析。研究葉輪軸的瞬態動力學響應，從而分析離心泵機械結構的力學性能，包括動態變形、動態應力等。

關鍵詞：液固耦合 數值模擬 離心泵

1 簡介

液固耦合問題的關鍵技術是在CFD求解器和FEM求解器之間通過合適的接口實現壓力、位置等數據的交換，并且能夠在同一個平臺上同時進行仿真。一些學者已經采用數值模擬方法研究液力機構的力學性能。Lee等人采用CFD方法對液壓助力轉向系統中管路的壓力損失及管路中的汽蝕問題進行了研究[1]，Chandrasekhar研究了

液壓助力轉向油泵中的湍流流動，他在模型中考慮了油液的可壓縮性[2]。Chandrasekhar在文獻中詳細介紹了油泵的Reynolds-Stress三維CFD湍流模型，模型中分別考慮了包括油液的可壓縮性和溫度效應的因素，并采用移動網格技術來模擬泵的旋轉運動。Viel采用和Ljubijankic類似的方法研究了如何在LMS Imagine.Lab AMESim和Fluent中實現強耦合仿真的問題，從而來分析某些液壓元件在系統工作工程中的瞬態響應[3]。為了向工程師們提供一個他們熟悉的單學科模擬程序的獨立接口，德國法蘭克福SCAI研究中心于1996年開發出來了MPCCI（Mesh-

based parallel Code Coupling Interface）。自MPCCI首次發布以來，得到了業界主流FEM/CFD廠商的普遍認可和支持，并逐漸成為多物理場耦合領域的業界標準。

MPCCI接口軟件可以實現不同模擬軟件耦合區域的網格量的數據交換，還可以交換不同耦合代碼之間的各種值（如動量，能量，材料性質，網格定義量等），甚至復雜的數據交換細節也可以很容易的通過簡單的MPCCI接口來實現。

MPCCI主要具有以下功能特點：

①創造性地在多領域商業軟件之間建立功能強大的連接。

②可以分層通信，從而提高了數據的傳輸效率。

③可以進行跨平臺運行，硬件資源得到有效地利用。

④支持并行和分布式計算功能，從而提高了計算效率。

⑤支持大變形網格的網格重構或節點重置。

⑥支持不同類型網格間相互匹配和網格相鄰節點的搜索與插值功能。

2 離心泵液固耦合建模與分析

采用液固耦合技術對離心泵進行分析的主要步驟如下：

①建立離心泵結構詳細的三維幾何模型（使用軟件包括CATIA、UG、Pro/E等），并將幾何模型轉換成通用幾何類型如：“*.Iges，*.Step”等，以便于導入有限元前處理軟件中構建有限元模型。

②建立詳細的三維流體幾何模型，并將幾何模型轉換成通用幾何類型如：“*.Iges，*.Step”等，與上一步相同，這樣做的目的也是為了方便地導入有限元前處理軟件中構建有限元模型。

③將前兩步建立好的三維模型導入有限元前處理軟件（如HyperMesh）分別劃分結構和流體的網格。

④將劃好網格的結構有限元模型讀入有限元求解器：ABAQUS。

⑤定義材料屬性，如材料的密度，泊松比，彈性模量等。

⑥定義邊界條件和載荷（按實際安裝方式定義約束邊界）。

⑦將劃好網格的流體模型讀入CFD求解器：Fluent。

⑧運行多場耦合分析軟件MPCCI，定義耦合關系，通過MPCCI啟動ABAQUS和Fluent同時求解，自動在耦合域上傳遞耦合數據（壓力、位移）。

⑨將求解結果讀入后處理軟件中觀察結果并得出結論。

（a）三維結構瞬態動力學模型

（b）三維非定常流動CFD模型

圖1 流體域和固體域模型的建立

3 分析結果

圖2給出了在轉速為1400rpm，流量2000m3/min時的分析結果。其中，既顯示了流場的壓力分布同時也顯示了泵的機械結構的應力分布。泵的出口最大壓力為1.1MPa，結構的最大應力為160MPa。滿足設計要求。

圖2 液固耦合分析結果

圖3 軸承的動態徑向力

圖3給出了液固耦合條件下，葉輪軸左端軸承的動態徑向力曲線，可為軸承設計提供依據。

4 結論

葉輪的力學特性是決定泵工作特性的重要指標。泵在工作過程中受到周期性的液力載荷，這種載荷會導致葉輪及葉輪軸的動態變形，從而進一步影響流體的分布，因此，這個過程是一個典型的耦合過程，必須采用液固耦合方法對它進行分析。本文簡析了采用液固耦合方法，對離心泵額定工況點進行了分析的過程。試驗證明通過該分析得出的結果能夠比較真實的反應葉輪工作過程中的動態應力，通過將應力最大值和許用應力比較，證明葉輪及葉輪軸的動態應力滿足要求。

參考文獻：

[1]Lee G.H.，et.al，Numerical Analysis of Pressure Drop and Cavitation Effects in Vehicle Steering System.SAE TECHNICAL PAPER SERIES，2006-01-3560.

[2]Chandrasekhar R.，Turbulent and Compressible Flow Effects in a Hydraulic Power Steering Pump.SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2006-01-1184.

[3]Viel A.，Strong Coupling of Modelica System-Level Models with Detailed CFD Models for Transient Simulation of Hydraulic Components in their Surrounding Environment，8th international Modelica conference，Dresden，2011.