基于流固耦合的蜗壳式混流泵压力脉动及结构特性分析

发布时间：2017-08-31 09:06

  本文关键词：基于流固耦合的蜗壳式混流泵压力脉动及结构特性分析

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【摘要】：混流泵是一种目前在各个领域应用越来越广的流体机械。泵内的流动复杂,其内部的流动状况直接影响到泵性能的优劣,由流体不稳定流动诱发的压力脉动所导致的振动问题一直伴随着混流泵的运行,是影响其稳定运行及造成叶片疲劳破坏的重要因素。因此对其内部压力脉动规律的研究,对于泵设计者来说具有重要意义。同时,在泵运行过程中,内部流场与叶轮结构通过压力脉动规律相互作用,即流固耦合现象,这种相互作用也应该考虑。而且泵的设计不仅要满足水力特性的要求,也要考虑其结构特性,对其强度及振动特性进行评价。因此,本文将基于流固耦合方法对混流泵内流体诱发的压力脉动特性进行研究,分析其作用规律,并进一步对转子结构进行强度变形分析和振动特性分析。本文通过数值模拟手段,以一蜗壳式混流泵为研究对象,采用双向流固耦合的方式对泵内瞬态流动进行模拟,获得其流动特性,并主要对混流泵内的压力脉动特性进行分析。通过对泵内不同部位的压力脉动及压力脉动频谱分布的分析,可以发现泵内压力脉动呈现一种周期性变化,且这种变化与动静叶片数有关。泵内压力脉动的主频为转频及叶频,最大压力脉动强度发生的位置在动静叶之间的间隙处,也证明了动静干涉效应是压力脉动产生的主要原因。并将获得的叶轮部分的流场压力信息作为后续结构分析的水动力载荷数据。同时,基于有限元计算方法,对混流泵转子结构进行静力学分析及动力特性分析。研究不同载荷下叶轮的应力及变形分布规律,得出水压力是对叶轮结构产生影响的主要因素,并计算出最大应力值和最大变形量及其出现的位置。并对流固耦合条件下的瞬态应力应变变化规律进行分析,为强度校核提供数值依据。为分析转子结构的振动特性,还对其进行了模态分析,得出转子结构的固有频率和各阶频率下的振型。通过比较转子结构在空气介质中和水介质中的固有频率,发现水介质的存在会使转子结构的固有频率有所降低,所以在进行共振分析时,水介质的影响应该考虑。另外,模态分析的结果还可以为进一步分析转子结构的动力特性提供模态参数,深入了解叶片振动机理。
【关键词】：混流泵 流固耦合 压力脉动 静力分析 模态分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH313
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 流固耦合现象研究现状10-15
• 1.2.1 流固耦合机理及求解方法10-12
• 1.2.2 泵内压力脉动及流固耦合特性研究12-15
• 1.3 动静干涉特性研究15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 第2章 流固耦合数值计算相关原理18-27
• 2.1 计算流体动力学理论基础18-23
• 2.1.1 流体动力学控制方程19-21
• 2.1.2 SST k ?? 湍流模型21-22
• 2.1.3 壁面函数理论22-23
• 2.2 结构动力学控制方程23-24
• 2.3 流固耦合求解的相关理论24-26
• 2.3.1 ALE方法24-25
• 2.3.2 流固耦合求解策略25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 混流泵叶轮瞬态流固耦合数值计算27-38
• 3.1 计算模型建立及网格划分27-30
• 3.1.1 计算模型的建立27-28
• 3.1.2 计算网格划分28-30
• 3.2 流固耦合计算条件设置30-34
• 3.2.1 流体计算条件设置30-32
• 3.2.2 结构有限元计算条件设置32-33
• 3.2.3 流固耦合计算的实现33-34
• 3.3 网格无关性分析34-35
• 3.4 稳态计算结果分析35-37
• 3.4.1 压力场分析35-36
• 3.4.2 速度场分布36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 瞬态流固耦合压力脉动分析38-57
• 4.1 压力脉动分析38-43
• 4.2 压力脉动频率分析43-47
• 4.3 动静干涉效应47-48
• 4.4 涡结构分析48-50
• 4.4.1 叶轮流域涡核分布49
• 4.4.2 导叶及蜗壳区涡核分布49-50
• 4.5 叶片表面力波动分析50-51
• 4.6 耦合与非耦合计算方式结果对比51-56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 叶轮结构特性分析57-68
• 5.1 叶轮静力学特性分析57-61
• 5.1.1 叶轮应力分布57-59
• 5.1.2 叶轮变形分布59-61
• 5.2 瞬态应力应变分析61-62
• 5.3 叶轮模态分析62-67
• 5.3.1 固有频率分析62-65
• 5.3.2 振型分析65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果74-76
• 致谢76

【参考文献】

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本文编号：764675