為了準確計算軸流泵葉輪的應(yīng)力分布狀況，采用了FLUENT軟件與ANSYS軟件協(xié)同仿真的方法。基于FLUENT，N-S控制方程與標準k-ε湍流模型對軸流泵全流道進行了三維流動計算，通過Workbench流固耦合技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANSYS對軸流泵葉輪進行了結(jié)構(gòu)計算。通過數(shù)值分析，確定了葉片應(yīng)力集中區(qū)域，得出了葉片應(yīng)力從葉頂?shù)饺~根逐漸增大的分布規(guī)律。計算結(jié)果為軸流泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計提供了有利的依據(jù)。

1、前言

　　葉輪是軸流泵重要的過流部件之一，葉輪在運行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形對軸流泵的安全運行起著重要的影響，因此有必要對軸流泵葉輪在正常工作時所受的應(yīng)力和變形進行精確分析。

　　目前，在對軸流泵葉輪的結(jié)構(gòu)強度有限元分析中，流體對葉輪表面的壓力多是采用簡化方法將等效壓力加載到軸流泵葉輪表面對葉輪進行強度分析。顯然這種通過簡化方法加載壓力得到的結(jié)果與真實結(jié)果有一定的差異，尚不能完全作為軸流泵葉輪優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

　　為了能夠更好地模擬軸流泵工作的真實情況，應(yīng)將流場分析時得到的葉輪表面的真實壓力加載到強度分析的葉輪模型表面進行流固耦合分析。本文采用有限元分析軟件ANSYSWorkbench對軸流葉輪進行單向流固耦合分析，分析結(jié)果不僅揭示了軸流泵內(nèi)部的流動規(guī)律，還得到了葉輪的應(yīng)力和變形分布情況，為軸流泵葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)值依據(jù)。

2、軸流泵流場分析

　　2.1、基本方程

　　本文采用雷諾時均N-S方程和標準k-ε湍流模型以及SIMPLE算法進行計算。公式如下：

　　(1)三維不可壓連續(xù)方程和動量方程為：

圖8 軸流泵葉輪整體變形

圖9 葉片徑向方向變形曲線

　　由圖8和圖9可知，葉輪的變形十分均勻，從輪轂到輪緣逐漸增大并在靠近輪轂處變形很小且變化緩慢，到葉片外側(cè)變形加快且變形增大直到達到最大變形0.05mm。由于最大變形滿足工作要求，因此結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果驗證了所設(shè)計的軸流泵滿足設(shè)計要求。

4、結(jié)論

　　(1)軸流泵輪轂和葉片結(jié)合處出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此對于軸流泵葉輪的設(shè)計和優(yōu)化應(yīng)該著重考慮此處的剛強度；

　　(2)采用流固耦合方法對軸流泵葉輪進行了結(jié)構(gòu)靜力學仿真，分析獲得的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)對軸流泵葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與運行有指導意義。