离心泵叶轮的有限元分析及内部流场的数值模拟

摘要

离心泵在工农业生产及国民经济的许多部门中有着广泛的应用,发挥着重要的作用。叶轮是离心泵中最重要,也是最容易发生破坏的部件。对离心泵叶轮内部流场进行数值模拟,进一步对叶轮进行流固耦合的应力分析及模态分析,对于防止破坏发生,进行优化设计,改善离心泵的运行特性有着重要意义。ANSYS Workbench作为一种新的多物理场协同CAE仿真平台,可以为CAD软件与设计流程间提供更好的整合性,以及提供强大的多物理场协同分析,为流固耦合分析提供了全新的、更为简便的方法。
　　 首先采用RNGκ-ε湍流模型,在ANSYS Workbench中以FLUENT软件为工具计算离心泵叶轮内部流道的三维定常湍流流动,以获得叶轮内流场的速度、压力分布情况,并分析该叶轮的内部水力特性。
　　 通过建立ANSYS Workbench不同分析项目间的连接,可以将根据流场分析计算所得叶轮壁面的稳态流体压力加载至叶轮模型表面,获得叶轮在流体压力下的受力状态。然后进行叶轮的强度分析,得到叶轮在各个工况下的最大应力点和最大变形位置及其精确数值,校核叶轮的强度和刚度,避免叶轮的断裂破坏。
　　 通过进行实际约束状态下的模态分析,得到离心泵叶轮的固有频率和振型,分析其结构刚度和动态特性并发现薄弱环节,避免共振的发生。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

致谢

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 计算流体力学(CFD)发展现状

1.2.2 CFD技术在离心泵内部流场数值模拟研究中的应用现状

1.2.3 流固耦合力学在流体机械研究中的发展现状

1.2.4 ANSYS软件在离心泵叶轮刚强度与振动方面的研究现状

1.3 主要研究内容、途径及技术路线

第二章 理论基础和开发环境

2.1 离心泵的构造和工作原理

2.1.1 离心泵的基本构造

2.1.2 离心泵的工作原理

2.1.3 离心泵的主要工作参数

2.2 流体力学的基本概念

2.2.1 流体的连续介质模型

2.2.2 流体流动的分类

2.3 CFD基本模型

2.3.1 系统与控制体

2.3.2 基本控制方程

2.3.3 湍流模型

2.4 模态分析的理论基础

2.4.1 模态分析的方法和目的

2.4.2 模态分析的基本理论

2.5 开发环境介绍

2.5.1 Pro/Engineer介绍

2.5.2 ANSYS Workbench平台介绍

第三章 离心泵叶轮内部三维流场定常数值模拟

3.1 ANSYS Workbench协同仿真环境的建立

3.2 叶轮内部流动区域的三维造型与网格划分

3.2.1 叶轮三维模型的建立

3.2.2 叶轮内部流动区域模型的建立

3.2.3 叶轮流动区域的网格划分

3.3 边界条件及参数设定

3.3.1 边界条件

3.3.2 湍流模型

3.3.3 初始参数

3.3.4 方程的离散和求解

3.4 数值模拟结果及分析

3.4.1 速度场分析

3.4.2 压力场分布

3.4.3 湍动能分布

第四章 基于流固耦合的离心泵叶轮应力分析

4.1 叶轮模型的导入和网格划分

4.2 施加约束与载荷

4.2.1 施加约束

4.2.2 施加载荷

4.3 计算结果及分析

4.3.1 强度校核

4.3.2 形变分析

第五章 离心泵叶轮的振动特性分析

5.1 模型的导入与施加约束

5.2 计算结果与分析

5.2.1 固有频率

5.2.2 模态振型

5.2.3 结果分析

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文