流固耦合作用对轴流泵内部流场影响的数值计算

２０１２年第４Ｏ卷第１期　文章编号：１００５—０３２９（２０１２）０１－００３１—０４　流体机械　３１　流固耦合作用对轴流泵内部流场影响的数值计算　施卫东，王国涛，蒋小平，张德胜，恽强龙，徐（江苏大学，江苏镇江２１２０１３）　摘要：采用雷诺时均Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程和ＲＮＧ　ｋ一￡双方程湍流模型，基于弹性体结构动力学方程，对轴流泵内部　燕　流场和叶轮结构响应进行多工况双向同步耦合求解，研究了流固耦合作用对轴流泵内部流场的影响。结果表明：考虑流　固耦合作用后，叶片工作面和背面的压差有所减小，说明叶片性能有所下降；叶片出１＝１处的二次回流现象有所加剧；计算　得到的轴流泵水力性能参数更加接近试验值，说明考虑流固耦合后的流场更加接近于真实流场。　关键词：轴流泵；流固耦合；流场；数值计算　中图分类号：ＴＨ３１２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０３２９．２０１２．０１．００８　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｆｌｕ．ｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｆｌｏｗ　Ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　Ａｘｉａｌ—ｆｌｏｗ　Ｐｕｍｐ　ＳＨＩ　Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｔａｏ，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｄｅ－ｓｈｅｎｇ，ＹＵＮ　Ｑｉａｎｇ—ｌｏｎｇ，ＸＵ　Ｙａｎ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｅｌｌｅｒ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂ—　ｌｉｓｈｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ—ｗａｙ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ—ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ（ＦＳＩ）ｏｎ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ａｘｉａｌ—ｆｌｏｗ　ｐｕｍｐ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｅｙｎｏｌｄｓ—ａｖｅｒａｇｉｎｇ　Ｎ—Ｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｗｏ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ＲＮＧ　ｋ一８　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｓｉｄｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ＦＳＩ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｂｌａｄｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ；Ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｆｌｏｗ　ａｔ　ｂｌａｄｅ　ｏｕｔｌｅｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｉｆｅｄ；Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ａｘｉｌａ　—ｌｆｏｗ　ｐｕｍｐ　ａｌｅ　ｍｕｃｈ　ｃｌｏｓｅｒ　ｔｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖａｌｕｅｓ，ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ＦＳＩ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｃｌｏｓｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｆｌｏｗ　ｉｆｅｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ａｘｉａｌ—ｆｌｏｗ　ｐｕｍｐ；ｆｌｕｉｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　１前言　实际情况以便为轴流泵的优化设计提供有力参　考，对轴流泵叶轮及流场进行双向同步流固耦合　轴流泵属于大流量、低扬程泵，广泛应用于农　联合求解十分必要。　田排灌、市政给排水、调水工程以及电厂循环水工　流固耦合问题的研究历史可以追溯到１９世　程等…。南水北调东线工程的开工建设对轴流　纪初，人们对于流固耦合现象的早期认识源于机　泵水力模型研究提出了新的更高要求　Ｊ。轴流　翼及叶片的气动弹性问题　Ｊ。目前，流固耦合研　泵内部流场和叶轮之间存在着流固耦合（ＦＳＩ）作　究在旋转机械方面已取得一定的成果，但主要以　用：一方面，叶轮在流体载荷的作用下会产生变形　水轮机和风机为主Ｈ　Ｊ，针对水泵尤其是轴流泵　和动力学响应；另一方面，叶轮的变形和动力学响　的研究不多，Ｂｅｎｒａ　Ｆ—Ｋ等对离心泵转子以及流　应反过来也会影响流场的分布，从而改变流体载　场进行了双向流固耦合计算，并将计算结果与实　荷的分布和大小。因此，为使计算结果更加接近　验数据进行了对比分析　；裴吉采用双向同步耦　收稿日期：２０ｌｌ一０６—２７　基金项目：国家自然基金项目（５１０７９０６３）；江苏高等学校优秀科技创新团队项目（苏教科［２００９］１Ｏ号）；江苏高校优势学科建设工程　资助项目　，　３２　ＦＬＵＩＤ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１，２０１２　合求解法研究了叶轮流固耦合作用对离心泵内部　流场的影响　；袁启铭通过单向流固耦合法对轴　流泵叶轮进行了动力学分析，求得轴流泵叶轮在　空气及水中的频率　。　本文采用ＣＦＸ和ＡＮＳＹＳ软件进行双向同步　流固耦合求解，对轴流泵流场进行瞬态非定常数　值计算，并与未考虑流固耦合作用计算的流场进　行对比，分析耦合作用对轴流泵内部流场的影响。　２基本参数和物理模型　研究的模型泵基本参数为：流量Ｑ＝３３０Ｌ／ｓ、　扬程Ｈ：４．２１ｍ、转速ｎ＝１４５０ｒ／ｍｉｎ。利用Ｐｒｏ／Ｅ　建模，得到如图１所示的轴流泵模型。轴流泵内　部流场的流固耦合数值计算控制方程包括流体域　的连续性方程、动量方程及ｋ一８模型中的ｋ方程　和８方程，还有结构域的结构动力方程，已有很多　文献做过介绍　ｏ１”ｊ，本文不再一一列出。　图１轴流泵模型　３网格划分和边界条件　轴流泵流体域包括进口段、转轮段、导叶段和　出口段。考虑到对网格单元数和有效节点数的控　制，运用ＣＦＸ前处理软件ＩＣＥＭ对流体域划分六　面体结构网格，其中进出口采用Ｏ型网格，转轮　段和导叶段采用Ｈ型拓扑结构，并将其加密；结　构域只考虑叶轮部分，运用ＡＮＳＹＳ划分自由网　格。最终生成的流体域网格数为４９３０２０，结构域　网格数为１２５１０８。计算网格如图２所示。　边界条件：流场设置为速度进口，其值通过流　量和进口过流面积确定，假定出口边界处流动已　充分发展，采用自由出流；固壁为无滑移壁面，在　叶轮叶片及轮毂表面设置动网格，并将相应的结　构表面与流体表面相对应；设定流体向结构传递　的数据类型为Ｔｏｔａｌ　Ｆｏｒｃｅｓ，结构影响流体的方式　设定为Ｔｏｔａｌ　Ｍｅｓｈ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；对于叶轮结构响　应的计算，首先给定模型泵叶轮结构的材料为铸　钢，其特性参数为：弹性模量Ｅ＝２０９ＧＰａ、泊松比　＝０．３、密度Ｐ＝７５８０　ｋｇ／ｍ　。设置结构域和流　体域具有相同的总时长及时间步长。计算前，首　先通过三维定常湍流计算得到定常流场结果，并　作为初始条件，然后进行非定常计算。　（ａ）流体域计算网格　（ｂ）结构域计算网格　图２轴流泵模型计算网格　４双向同步耦合求解原理　采用双向同步耦合法对该轴流泵进行非定常　数值分析和动应力数值计算。计算时运用有限元　法求解结构域，同时利用基于有限元的有限体积　法求解流体域，并要保证流体域的非定常计算和　结构域的瞬态动应力分析具有相同的时间步长及　总时长。具体过程为：通过ＭＦＸ（ｍｕｌｔｉ—ｆｉｅｌｄ　ｓｏｌ—　ｖｅｒ）功能来实现流场和结构场之间信息的实时传　递，即通过该功能将流场中的压力计算结果和结　构场中的位移计算结果交换，进行耦合计算。在　流体域内求解非定常流体方程，在结构域内求解　结构动力方程，在每一个时间步长后，将求解流体　域的压力传给结构域，将结构域求解得到的叶片　位移作为边界条件传给流体，然后进行下一轮迭　代，直至整个物理时间步上的耦合场求解结束。　５计算结果及分析　５．１耦合作用对叶片压力的影响　２０１２年第４０卷第１期　流体机械　３３　轴流泵叶轮叶片近似于一个空间翘曲、变厚　刻流固耦合前后的压力变化，如图４所示。　度的悬臂板，叶片沿圆周方向的断面为机翼型，其　厚度从轮毂到轮缘逐渐减小。　为准确分析各不同断面上的压力分布，取叶　缘　片从轮缘到轮毂沿径向方向的３条流线，如图３　所示（流线１靠近轮缘处，流线２位于叶片中　间，流线３靠近轮毂处）　。观察流固耦合前后的　压力分布，分析耦合作用对叶片流线压力的影　响。　通过计算，分析了叶片３条流线在５个不同　工况下流固耦合前后的压力变化，由于篇幅限制，　这里只列出最优工况下３条流线在０．１２４１３８ｓ时　图３叶片流线位置　４Ｏ　６Ｏ　｛　育　赛。　量。　喜。　器　蹬　臼　４０　－６０　一６０　０．０　０．５　１．Ｏ　０．０　０．５　１．０　流线相对坐标　流线相对坐标　流线相对坐标　（ａ）ｒ＝１４０　图４流固耦合前后各流线压力比较　对于同一工况，通过对３条流线工作面和背　速度分布比较均匀，基本上沿圆柱方向，从叶片进　面的压强比较发现，考虑流固耦合作用后３条流　水边到出水边流动较为顺畅；叶片背面相对速度　线背面的压力较不考虑流固耦合时有所上升，而　矢量在大流量工况下分布也比较均匀，在设计工　工作面的压力有所下降，即考虑流固耦合作用后　况下，靠近出水边，速度矢量有从轮毂向轮缘分离　叶片工作面和背面的压差较不考虑流固耦合相比　的趋势，而在小流量下，速度矢量从轮毂向轮缘分　有所下降，这说明流固耦合作用使得叶片性能有　离的趋势非常明显。分析认为在小流量工况下，　所下降；无论是否考虑流固耦合作用的影响，３条　叶轮内流体的离心力比半径方向的压力梯度大，　流线工作面的压力变化都很小，而背面变化较大，　液体在叶轮靠近出口侧向外缘附近径向移动，使　且从叶片进口到出口基本上呈逐渐增加的趋势，　得叶片出口侧外缘的流速快，轮毂侧慢，结果在出　其中在叶片进水边表现出较大的不稳定性；由流　口轮毂侧形成二次回流。同时，由于流量减小，叶　线１到流线３，叶片工作面和背面的压差逐渐减　片进口的冲角加大，在叶片背面出现脱流；与不考　小，说明从叶片轮缘到轮毂，叶片对流体的做功性　虑流固耦合相比，叶片背面的二次回流现象有所　能逐渐降低。对于不同工况，无论是否考虑流固　加剧。　耦合作用，叶片工作面和背面的压力都会随着流　５．３耦合作用对轴流泵水力性能的影响　量的增加而逐渐减小。　为进一步分析数值计算的准确性，将该轴流　５．２耦合作用对叶片表面相对速度的影响　泵模型进行外特性试验，同时采用六面体结构网　图５所示为考虑耦合作用后不同流量下叶片　格、ＲＮＧ　ｋ一８湍流模型及ＳＩＭＰＬＥＣ算法对其进　表面的相对速度矢量。　行了设计工况及４个非设计工况下的非定常数值　由上图可以看出，各工况下，叶片工作面相对　计算，得到的结果如表１所示。　ＦＩ　ＩＤ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１，２０１２　（ａ）Ｑ＝２９０Ｌ／ｓ，工作面　（ｂ）Ｑ＝３３０Ｌ／ｓ，工作面　（ｃｌ　Ｑ＝３７０Ｌ／ｓ，工作面　（ｄ）Ｑ＝２９０Ｌ／ｓ，背面　（ｅ）Ｑ＝３３０Ｌ／ｓ，背面　（ｆ）Ｑ＝３７０Ｌ／ｓ，背面　图５耦合作用下叶片表面相对速度分布　表１数值计算结果与试验结果对比　流量　性能　试验值　非耦合　耦合　６结论　（Ｌ／ｓ）　参数　计算　计算　２９Ｏ　日（ｍ）　５．８４　５．９８　５．９２　（１）考虑流固耦合后，叶片背面各流线上的　田（％）　７９．８６　８１．６５　８１．４９　压力较不考虑流固耦合时有所增加，而工作面的　３１Ｏ　Ｈ（ｍ）　５．１０　５．２８　５．２７　田（％）　８３．３０　８４．８６　８４．６２　压力有所下降，但是增加或下降的幅度不同；叶片　３３０　（ｍ）　４．２１　４．３６　４．３４　工作面和背面的压差较非耦合下有所下降，说明　叼（％）　８４．００　８５．６８　８５．４６　流固耦合作用使得叶片性能有所下降；由叶片轮　３５０　日（ｍ）　３．２３　３．４６　３．４５　缘到轮毂，叶片做功能力逐渐减小；　叼（％）　８２．０ｏ　８４．２８　８４．１２　（２）叶片工作面的速度矢量基本沿圆柱方　３７０　Ｈ（ｍ）　２．２５　２．４２　２．３８　向，但是叶片背面的速度矢量在小流量下会从轮　田（％）　７５．４３　７８．５２　７８．４１　毂向轮缘分离，使得叶片出口处轮毂侧形成二次　由表１可以看出，无论是否考虑流固耦合作　回流，并会因流固耦合作用而加剧；　用的影响，数值模拟得到的扬程和效率的变化规　（３）由数值计算得到的轴流泵水力性能参数　律均与试验结果相一致，说明利用数值计算来预　与试验值变化趋势相吻合，说明利用数值计算来　测轴流泵水力性能具有一定的可行性，同时也说　预测轴流泵水力性能具有一定的可行性，且考虑　流固耦合作用后的流场更加接近于真实流场。　明ＲＮＧ　ｋ一８湍流模型对轴流泵的流场计算具有　较好的适用性；由数值计算得到的结果普遍略高　参考文献　于试验值，这主要是因为计算时未考虑模型泵的　［１］关醒凡．轴流泵和斜流泵［Ｍ］．北京：中国宇航出　容积损失和机械损失；与未考虑流固耦合作用相　版社，２００９．　比，考虑耦合后计算得到的扬程和效率与试验值　［２］　杨敬江，关醒凡．轴流泵水力模型内部流动数值模　更加接近，这说明考虑流固耦合作用的流场更接　拟［Ｊ］．流体机械，２００８，３６（１２）：１５－２０．　近于真实流场。　（下转第４０页）　４０　ＦＬＵＩＤ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１，２０１２　（上接第３４页）　［３］邢景棠，周盛，崔尔杰．流固耦合力学概述［Ｊ］．力学　ｖｉｓｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．　进展，１９９７，２７（１）：１９－３７．　［８］裴吉，袁寿其，袁建平．流固耦合作用对离心泵内部　［４］郑小波，罗兴琦，邬海军．轴流式叶片的流固耦合振　流场影响的数值计算［Ｊ］．农业机械学报，２００９，４０　动特性分析［Ｊ］．西安理工大学学报，２００５，２１（４）：　（１２）：１０８—１１２．　３４２－３４６．　［９］袁启明．轴流泵叶片流固耦合振动特性分析［Ｄ］．　［５］Ｚｈｏｕ　Ｚｈｏｎｇ—ｎｉｎｇ，Ｌｉ　Ｙｉ－ｍｉｎ，ＧＵ　Ｙｏｎｇ－ｘｉａ，ｅｔ　ａ１．Ｆｅａ－　扬州：扬州大学，２００９．　ｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａ　ｍｉｎｅ　ｆａｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　［１０］　王福军．计算流体动力学分析一ＣＦＤ软件原理与应　ｖｉｂｒａｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｍｉｍｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．　２００９，（１９）：３３７－３４１．　［１１］　党小建，梁武科，廖伟丽．水力机组流固耦合的数　［６］　陈海萍，孙文磊，郭健．风力发电机叶片的流固耦合　学模型［Ｊ］．机械强度，２００５，２７（６）：８６４－８６６．　分析［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（１９）：７９－８２．　［７］Ｂｅｎｒａ　Ｆ　Ｋ，Ｄｏｈｍｅｎ　Ｈ　Ｊ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｆｏｐｕｍｐ　ｉｍｐｅｌｌｅｒ　作者简介：施卫东（１９６４一），男，研究员，主要从事流体机械　ｏｒｂｉｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ＦＳＩ　ｓｉｍｕｌａ－　及工程研究，通讯地址：２１２０１３江苏镇江市学府路３０１号江苏大　ｔｉｏｎ［ｃ］．２００７　ＡＳＭＥ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ　Ｄｉ—　学流体机械工程技术研究中心。