為研究流固耦合作用對螺旋離心泵內(nèi)部流場的影響，以ZJ200-25型螺旋離心泵為研究對象，應用計算流體力學軟件CFX12.1和有限元軟件ANSYS Workbench對螺旋離心泵進行了考慮內(nèi)部流場和結(jié)構(gòu)相互作用的兩場交替聯(lián)合求解，并以相同的設(shè)置對不考慮流固耦合作用的內(nèi)部流場進行了計算。對比分析兩種計算方法得到的流場發(fā)現(xiàn)，考慮流固耦合作用后:泵進口處的壓力波動加劇，出口壓力波動強度降低，進出口波動頻率不變，但相位有改變；速度分布滿足共同的規(guī)律，但在小流量工況下差別最大，同時在葉片與隔舌處于相干位置時，隔舌附近流動也受到明顯影響；徑向力大小隨時間變化規(guī)律一致，但波動范圍減小；考慮流固耦合作用后葉輪流道內(nèi)流動更加不對稱。

　　螺旋離心泵是一種傳統(tǒng)的無堵塞泵，其核心部件為半開式螺旋形葉輪。這種泵葉片少，葉片薄而相對扭曲，包角大，結(jié)構(gòu)特殊。螺旋離心泵運行過程中，在流場內(nèi)復雜的水力激勵作用下，葉輪會發(fā)生變形及振動，變形后的葉輪又會引起流場的改變。以往關(guān)于螺旋離心泵內(nèi)部流動的數(shù)值研究中，都沒有考慮到結(jié)構(gòu)變形和振動對流場的反作用，而雙向流固耦合方法已經(jīng)被用于普通離心泵內(nèi)流場的研究中，但還沒有在泵領(lǐng)域得到推廣，成果有限。

　　目前應用較多的是將流場載荷加載到結(jié)構(gòu)上的單向流固耦合方法，這種方法忽略了阻尼作用，準確度低，常用于求解結(jié)構(gòu)響應的靜力學分析。本文使用CFD軟件CFX12.1及有限元分析軟件ANSYS Workbench對螺旋離心泵進行雙向流固耦合數(shù)值模擬，對比研究耦合與不耦合各工況下流場壓力、速度及葉輪受力的差別，分析流固耦合作用對流場產(chǎn)生的影響。

1、計算模型與模擬方法

　　1.1、模型參數(shù)

　　螺旋離心泵模型設(shè)計參數(shù)為:流量Qd=200m3/h，揚程H=25m，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=116，葉片數(shù)Z=2。葉輪進口直徑D1=160mm，出口直徑D2=328mm，出口寬度b2=70mm，蝸殼基圓直徑D3=360mm，葉輪外緣與吸水殼體內(nèi)壁間隙為0.9mm。葉輪材料為不銹鋼316L，密度8030kg/m3，彈性模量175GPa，泊松比0.4。

　　1.2、網(wǎng)格生成

　　將螺旋離心泵的三維模型導入網(wǎng)格劃分軟件ICEM生成計算區(qū)域的網(wǎng)格。考慮到螺旋離心泵結(jié)構(gòu)特殊，葉片邊緣存在一尖角區(qū)域，且計算區(qū)域中存在比較復雜的流動，如二次流、交叉流以及小流量工況下的分離旋渦等流動現(xiàn)象，采用六面體網(wǎng)格單元不能保證網(wǎng)格質(zhì)量和更好地反映這些流動。故采用適應范圍更廣的四面體網(wǎng)格單元對全流道模型進行網(wǎng)格劃分，并對間隙內(nèi)流體進行局部網(wǎng)格加密處理，流體網(wǎng)格總數(shù)為1399178(圖1)。轉(zhuǎn)子固體有限元網(wǎng)格在WorkbenchTransientStructure模塊中生成，單元數(shù)為125662(圖2)。

圖1 流體區(qū)域網(wǎng)格

(a)葉輪計算區(qū)域網(wǎng)格(b)蝸殼計算區(qū)域網(wǎng)格

圖2 固體區(qū)域網(wǎng)格

　　1.3、數(shù)學模型及模擬方法

　　數(shù)值模擬在ANSYSCFX12.1全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器中進行。采用SSTk-ω湍流模型進行非定常全流場計算，采用適宜于瞬態(tài)求解的SIMPLEC算法進行求解。進出口邊界條件分別定義為速度進口和自由出流，設(shè)置參考壓力為大氣壓，給定不同工況下的進口速度進行計算。固體壁面定義無滑移邊界條件，粗糙度0.025mm。將進口與葉輪、葉輪與蝸殼間的交界面設(shè)置為TransientRotorStator。以葉輪旋轉(zhuǎn)9°作為一個時間步，每個時間步長ΔT=0.001035s，每個旋轉(zhuǎn)周期包含40個時間步。選擇5個旋轉(zhuǎn)周期作為采樣對象，200步的總時間T=0.207s。

　　在雙向流固耦合計算的基礎(chǔ)上，以相同的時間步長及設(shè)置，進行了不考慮流固耦合作用的解耦計算，以此結(jié)果作為參照，能夠更直觀地對比得出流固耦合作用對流場所產(chǎn)生的影響。

結(jié)論

　　(1)流固耦合作用使得進口壓力波動強度增大，出口壓力波動強度減弱，隔舌處波動紊亂，但流固耦合前后的流場也滿足共同的規(guī)律，耦合作用并未改變整體流動趨勢。

　　(2)不同工況下，流固耦合作用在非設(shè)計流量下影響最明顯，小流量下對壓力影響最明顯，大流量下對徑向力影響最明顯；一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，當葉片與隔舌處于相干位置時，耦合前后的流動差異最大。

　　(3)由于葉輪變形以及質(zhì)心偏移，破壞了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性，對泵進口處液流形成擾動，并對下游流道內(nèi)流動形成不同程度的影響，這種影響隨時間及空間積累，會在流道內(nèi)局部產(chǎn)生明顯的差別。