多级离心泵流固耦合动力特性分析

发布时间：2017-05-16 14:12

  本文关键词：多级离心泵流固耦合动力特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多级离心泵因效率较高、扬程大,广泛应用于城市给排水、农田灌溉、石油化工、矿用排水、森林消防、高层建筑等国民经济的各个行业。多级离心泵结构日趋复杂,为了满足更高扬程的需求,往往通过增加叶轮串联数来实现,不可避免出现转子系统振动幅度增大的问题。在运行过程中,泵内流场与叶轮结构相互作用,容易引发叶轮结构疲劳破坏,尤其是当转频与结构固有频率相近甚至相同发生共振时,严重影响到多级离心泵的安全可靠运行。因此,对多级离心泵开展流固耦合作用下的转子系统动力特性研究不仅具有重要的理论意义,更具有重要的工程实用价值。 本文利用TurboGrid、UG、ICEM创建数值模型,对某D型五级离心泵全流道数值求解,在此基础上,利用ANSYS-Workbench协同仿真平台,研究多级离心泵单向流固耦合作用下转子结构动力特性,主要研究内容和成果如下： (1)采用标准k-ε湍流模型数值模拟不同流量工况下多级离心泵内流场,分析流场压力分布,并通过模型试验外特性结果验证数值模拟的可行性与可靠性。 (2)利用单向流固耦合技术,对多级离心泵转子结构进行线性静力计算,研究叶轮等效应力及变形情况,获取最大应力变形值及其位置,并进行叶轮强度校核。分析发现：流体压力荷载对结构应力及变形起主要作用,最大等效应力随流量增加而减小,总变形随流量增加而增大；设计工况下,叶轮叶片等效应力随叶轮级次呈先增大后减小的趋势,最大等效应力出现在第二级,存在应力集中,其中,首级叶轮叶片最大等效应力出现在叶片进口前缘与轮毂接合处,其他各级出现在叶片进口前缘与前盖板接合处；变形则逐级增大,最大变形发生在末级叶轮叶片最外缘,同级叶轮变形主要表现为圆周方向变形,沿径向逐渐增大,呈不均匀分布；各流量工况下结构最小安全系数为3.75,均能满足强度要求。 (3)在Workbench Modal分析模块中,分别计算空气中3～15级叶轮转子结构模态,分析不同叶轮串联数时的固有频率,并与多级泵额定转速下1、2、3倍转频对比,预测各级多级离心泵发生共振的可能性。结果表明：转子结构振型主要表现为摆动、扭转振动、弯曲振动、俯仰振动；五级离心泵在给定工况下振动特性良好,不会出现共振状况；增大叶轮串联数,存在引发结构共振的可能,15级时,额定转速下转频与一、二阶固有频率接近,易发生共振破坏。
【关键词】：多级离心泵 流固耦合 静力分析 模态分析 Workbench
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 符号说明7-9
• 目录9-12
• 1 绪论12-17
• 1.1 研究的目的和意义12
• 1.2 国内外研究概况12-16
• 1.2.1 流固耦合研究概况12-15
• 1.2.2 多级离心泵研究概况15-16
• 1.3 主要研究内容和技术路线16-17
• 2 多级离心泵及计算软件介绍17-21
• 2.1 多级离心泵概述17-19
• 2.1.1 多级离心泵结构17-18
• 2.1.2 离心泵工作原理18-19
• 2.2 计算软件简介19-20
• 2.2.1 Workbench协同仿真平台19
• 2.2.2 CFX-TurboGrid概述19
• 2.2.3 UG概述19-20
• 2.2.4 CFX概述20
• 2.3 本章小结20-21
• 3 多级离心泵内流场数值模拟21-34
• 3.1 数值计算基本方程21-24
• 3.1.1 控制方程21-22
• 3.1.2 湍流模型22-24
• 3.2 流场求解方法24
• 3.3 流体域三维模型及网格24-29
• 3.3.1 多级离心泵结构参数24-25
• 3.3.2 多级离心泵三维模型25-26
• 3.3.3 网格生成26-28
• 3.3.4 多级泵流体计算域装配28-29
• 3.4 计算参数设置29-30
• 3.5 多级离心泵内流场压力分布30-32
• 3.5.1 全流道压力分布30-31
• 3.5.2 设计工况下各级叶轮压力分布31-32
• 3.6 多级离心泵外特性预测32-33
• 3.7 本章小结33-34
• 4 基于流固耦合的多级离心泵叶轮静力分析34-52
• 4.1 静力结构分析基础34-37
• 4.1.1 弹性分析及其理论基础34-36
• 4.1.2 静力分析有限元方程36-37
• 4.2 流固耦合问题的处理方法37
• 4.3 有限元分析的预定义37-39
• 4.3.1 单位设置38
• 4.3.2 材料属性定义38-39
• 4.3.3 单元类型选择39
• 4.4 转子有限元模型建立39-41
• 4.4.1 转子系统简化模型39
• 4.4.2 导入几何模型39-40
• 4.4.3 划分网格40-41
• 4.5 荷载的施加与求解41-42
• 4.6 结构静力分析42-51
• 4.6.1 载荷对结构应力应变的影响42-45
• 4.6.2 多级泵各级叶轮叶片应力应变比较45-48
• 4.6.3 流量对结构应力应变的影响48-50
• 4.6.4 转子结构强度校核50-51
• 4.7 本章小结51-52
• 5 模态分析52-60
• 5.1 模态分析基础52-53
• 5.2 模态分析求解方法53-54
• 5.3 多级泵转子模态计算54
• 5.4 转子结构模态分析54-59
• 5.4.1 空气中转子模态分析54-58
• 5.4.2 不同叶轮串联数时模态分析58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 6 结论与展望60-62
• 6.1 结论60
• 6.2 展望60-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张立翔;王文全;姚激;;混流式水轮机转轮叶片流激振动分析[J];工程力学;2007年08期

2 李媛;康顺;王建录;赵萍;;2.5MW风力机叶片流固耦合数值模拟[J];工程热物理学报;2013年01期

3 蒋庆磊;翟璐璐;吴大转;王乐勤;;多级离心泵内叶轮出口压力脉动研究[J];工程热物理学报;2012年04期

4 张建晨;;多级离心泵振动超标原因分析及对策[J];化工设备与管道;2010年04期

5 商威;廖伟丽;郑小波;;考虑流固耦合的轴流式叶片强度分析[J];河海大学学报(自然科学版);2009年04期

6 杨自丰;王晓宇;孙晓峰;;有限长壁面处理对叶片气动弹性稳定性的影响[J];航空动力学报;2006年06期

7 喻萌;;基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析[J];中国舰船研究;2007年05期

8 马小奇;王跃社;于方俊;WANG Guoxiang;;基于流固耦合的脑动脉瘤非连续生长过程的数值模拟[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2010年08期

9 张瑞琴;翁建生;;基于流固耦合的叶片颤振分析[J];计算机仿真;2011年03期

10 黄思;桑迪科;;多级离心泵三维流场数值模拟及性能预测[J];机械科学与技术;2010年06期

  本文关键词：多级离心泵流固耦合动力特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：371056