基于流固耦合的典型機械部件多場耦合數(shù)值模擬分析.pdf

1、機械在人類生產(chǎn)生活著起著越來越多的作用，而流固耦合從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，在很多領(lǐng)域起著越來越重要的作用,它是主要研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響的交互作用的一門學科。例如航空和航天工程中，飛機的氣動彈性振動問題、超音速飛行外殼風阻問題和含液容器的晃動問題；水利設(shè)施以及海洋工程結(jié)構(gòu)水彈性振動問題；地下儲層（油、氣、水、煤）多孔介質(zhì)滲透；斜拉索橋梁的抗風振動問題。如何使處在復雜環(huán)境下機械部件平穩(wěn)、安全和高效地運行和流固耦合

2、理論解決復雜耦合問題的能力相結(jié)合，使得越來越多的科學家和工程師投入到這方面的研究中去。
　　本文運用流固耦合原理來分析典型旋轉(zhuǎn)和傳動機械部件工作過程中的性能問題：
　　1、不同工況下離心式吸砂泵內(nèi)部流場的運行情況以及耦合作用對自定義位置壓力脈動作用。
　　2、不同注油量和轉(zhuǎn)速工況下分動器油液攪動情況分析。
　　文章在計算流體力學、有限體積學和單向雙向耦合原理的理論基礎(chǔ)上，建立了機械部件的內(nèi)流體計算模型，基于CFX

3、的多相流模型、湍流模型和小變形動網(wǎng)格技術(shù)以及ICEM動網(wǎng)格腳本文件技術(shù)，對機械部件內(nèi)流場進行數(shù)值模擬分析，通過計算結(jié)果后處理得到的三維流場的速度場和壓力場分布，反映固液兩相、氣液兩相下的內(nèi)流體運動以及各種參數(shù)影響。通過數(shù)值分析，為機械產(chǎn)品的設(shè)計提供理論依據(jù)，大大縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本、改善及提高機械裝置的性能、對使用過程中可能出現(xiàn)的問題做出預(yù)測。
　　本文所分析的機械部件均為企業(yè)所提供，運用CFD（Computational

4、Fluid Dynamics）的方法分析其內(nèi)流場狀態(tài)。本文做了如下研究：
　　1、利用UG軟件和三維逆向的方法對分析對象—離心式吸砂泵和分動器進行建模，為了降低計算成本和分析問題需要，對這兩種機械部件部分進行了可行范圍內(nèi)的簡化，然后進行網(wǎng)格劃分，再導入到CFX Pre前處理中設(shè)置邊界條件和初值條件，選擇和設(shè)置相應(yīng)的多相流模型、計算湍流模型RNG k-ε和動網(wǎng)格，對部件內(nèi)部兩相流流場進行仿真分析。比較真實地反映了瞬態(tài)下固液和氣液兩相

5、的速度矢量、壓力勢分布及變化情況。
　　2、針對典型旋轉(zhuǎn)部件離心式吸砂泵，通過在國家水泵實驗中心完成水泵清水相工況的實驗，得到離心式吸砂泵的外特性曲線，與仿真的外特性曲線誤差不超過3.1％，該實驗有效地保證了仿真實驗對象的準確性；然后采用不同粒徑和不同轉(zhuǎn)速工況，對離心式吸砂泵速度場分析，得到單雙向耦合分析下葉輪上葉輪速度矢量分布。在葉輪上自定義某點，分別得到高于工作轉(zhuǎn)速和低于工作轉(zhuǎn)速下的葉片徑向力分布，得到該點的變化規(guī)律。有如下結(jié)

6、論：單雙向耦合并沒有改變整體流場趨勢，在局部位置上，葉輪變形以及對稱性結(jié)構(gòu)的破壞，對于葉輪流場區(qū)域產(chǎn)生不同程度的影響，隨著時間和空間上的積累，形成渦旋，甚至產(chǎn)生氣蝕危害水泵地安全運行。
　　3、針對典型傳動部件分動器，數(shù)值模擬出分動器內(nèi)部流場運動狀態(tài)，然后齒輪選擇在某一工況轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動，注入不同體積量的潤滑油液油即高于、低于XY基準平面49.35mm和XY平面進行數(shù)值模擬分析，得出結(jié)論。即過低和過高注油量都會導致攪油潤滑效率的下