CN102913464B - 离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于与泵类机械流动诱导振动相关的技术领域，是瞬态流固耦合特性的数值预测方法。主要包括三个步骤：单向和双向全流场瞬态流固耦合计算；转子振动数据的测量和处理；流固耦合数值预测结果与实验结果的对比。本发明能够灵活选择耦合方法，当结构变形量不详时，先进行单向耦合分析，如果预估结构变形对流场影响大，则再利用双向耦合分析。对于耦合计算过程，首先进行瞬态流场计算，将载荷通过耦合界面的插值运算加载到有限元模型上进行结构动力分析。判定耦合界面数据传递的收敛性，如果耦合计算未收敛，则根据结构变形重新对流体网格进行计算，继续该时间步长的耦合迭代。

Description

离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法

技术领域

本发明属于与泵类机械内部不可压瞬态湍流流场及其诱导振动相关的技术领域，并引入了流固耦合理论和方法进行计算分析。

背景技术

泵是重要的能量转换装置和流体输送设备，其中离心泵应用最为广泛。离心泵不仅应用在石油、化工、水利等工农业领域，而且是航空、舰船、潜艇等高技术领域的关键设备。离心泵在运行过程中会不可避免地产生振动，振动会影响离心泵运行的稳定性和安全性，并影响机器寿命。在隐蔽性很高的舰船和潜艇等国防设备中，离心泵的振动噪声问题将直接影响其安全性。泵是重大工程的关键设备，尽可能地减小振动可以提高泵机组运行的可靠性，并可以降低重大事故的发生率，从而保证人身安全，避免国民财产遭受损失，具有重要的社会意义和经济意义。目前，由于泵内部复杂流动产生的周期性载荷是导致振动的不可忽视的因素，并且更加难以控制，同时，由于流场和结构之间存在着流固耦合作用，使得问题变得更加复杂。流动诱导振动现象已经成为工程实际中亟待解决的问题。因此，为了深入分析离心泵转子流动诱导振动特性，有必要设计一种能够快速、准确的，且考虑流固耦合作用的诱导振动预测方法。

经检索，考虑流固耦合作用的数值预测方法相关的申报专利有：一种柔性翼微型飞行器的流固耦合数值仿真方法，申请号200710099599；一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法，申请号200710068482；一种机床主轴的流固热耦合数值仿真方法，申请号：201110002309；叶轮机械计入叶间相位角的气弹稳定性流固耦合预测方法，申请号：201010209793。目前这些专利中，还没有关于离心泵流动诱导振动的数值预测方法的申报专利，同时，也没有针对于以不可压缩流体水为工作介质的旋转机械流固耦合现象的预测方法。此外，对于以上流固耦合预测方法都没有相应的实验验证步骤，无法最大限度的确保预测的准确性。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对以不可压流体水为介质的离心泵转子瞬态流固耦合特性的数值预测方法，同时，能够以相应的实验验证过程保证整个方法预测的正确性。该方法能够实现对离心泵转子流动诱导振动现象进行快速、高精度的数值预测，在泵技术领域具有良好的实用价值和广阔的应用前景。

离心泵转子流固耦合振动特性预测方法包括三大步骤：步骤一：利用ANSYS MFX系统进行单向和双向全流场瞬态流固耦合计算；步骤二：利用径向相互垂直布置的两个电涡量传感器对转子振动数据进行测量测量和处理；步骤三：流固耦合数值预测的振动位移结果与实验结果的对比。首先在三维造型软件ProE中建立研究对象的流动区域和对应的转子结构实体的参数化模型并保存为*.prt文件。利用ICEM软件划分流体区域网格，使用ICEM中的Import功能直接读取ProE生成的流场造型*.prt文件，使用多块化的结构网格划分方法对流场区域进行网格划分，并对边界层进行加密处理，最后保存网格文件*.cfx5。利用ANSYS Workbench与ProE的智能数据传递接口将转子结构实体造型导入，并使用workbench中的网格自动划分功能生成有Hex单元主导的有限元网格。在Transient Analysis中设置结构有限元计算的边界条件，包括在转子轴承安装处设置固定约束Fixed support，叶轮前盖板、叶片和后盖板设置流固耦合交界面，设置计算阻尼系数，最后导出*.inp文件作为耦合计算的结构场输入。在CFX软件中，首先分别对计算各个参数进行初始化，对于每一个物理时间步长，先以稳态结果为初始条件进行瞬态流场的计算，湍流模型选用SST，根据流场的计算结果，提取所考虑的流体与固体交界面处流场的压力载荷p(node，t)，通过流固耦合界面的插值运算将该载荷加载到有限元模型上，并将计算所得的力载荷F(t)作为初始边界条件进行结构的有限元动力学分析(Transient analysis)。对于双向耦合计算，在每个流固耦合界面的壁面处，壁面边界条件设为Mesh motion来模拟结构在流体载荷作用下的变形，CFX向ANSYS求解器传递的是力载荷，接收的是位移载荷。同时，需要判定每个时间步长上流固耦合计算的收敛性，利用MFX系统中的判定模块对耦合界面数据传递的收敛性进行判定，收敛标准设置为0.01。如果耦合计算未收敛，则根据上面结构有限元分析的结果重新对流体网格进行重新计算，使新的流体网格适应结构的变形，然后重新进行流场分析及以上计算过程，如此进入该时间步长的耦合迭代过程。如果耦合计算收敛，则进入下一个时间步长的耦合迭代过程，直至完成所有物理时间步长的计算。对于单向耦合策略，流固耦合壁面边界设为流体网格静止，CFX向ANSYS传递力载荷，不从ANSYS求解器读取位移载荷，总迭代次数设为1，不考虑耦合界面收敛性的条件。对于实验方面，在叶轮进口外环部位，利用径向平面上相互垂直地布置的趋近式电涡量传感器对转子振动进行测量，测量位置与计算位置相符。根据所分析振动问题的频率，利用Butterworth低通滤波器对采集数据滤波。为了消除实验方面的误差，将多次测量的结果进行相位平均计算，以得到所研究物理时间尺度上的稳定结果。最后，将计算的振动结果和实验的振动结果进行坐标系统一换算，并进行对比。如果结果吻合较好则预测结束，如果结果不好则重新进入步骤一，对计算模型和设置参数进行改进分析。

步骤一中包括两种耦合计算方式，即单向耦合和双向耦合。理论上双向耦合更加准确，而对于结构变形不大、耦合作用不明显的情况，单向耦合更加节省时间。单向耦合计算不包括耦合迭代过程，不需要判定耦合界面载荷传递的收敛性，只传递流场载荷至结构，而结构变形量不影响流场的网格。对于以不可压缩流体水为介质的离心泵，结构变形量不详时，可先进行单向耦合分析，然后分析结构变形量的大小，如果结构变形对流场影响大，则再利用双向耦合进行分析，否则利用高效的单向耦合方法即可。

本发明的有益效果在于：

(1)耦合方式选择灵活，不拘泥于单一的耦合形式，可以根据不同问题、不同需求对离心泵转子振动进行分析。

(2)预测结果由实验保证，耦合计算出现偏差可及时发现，并可对模型和各个参数进行调整，直至预测结果可信。

附图说明

图1为离心泵转子流动诱导振动特性瞬态流固耦合预测及验证方法示意图。

图2为离心泵流体计算网格示意图。

图3为图2中叶轮面网格示意图

图4为叶轮结构有限元网格和流固耦合面示意图。

图5为流固耦合振动计算一维结果示意图。

图6为流固耦合振动计算结果与实验结果对比示意图。

具体实施方式

下面结合应用实例附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示，离心泵转子流固耦合振动特性预测方法包括三大步骤：步骤一：单向和双向全流场瞬态流固耦合计算；步骤二：转子振动数据的测量和处理；步骤三：流固耦合数值预测结果与实验结果的对比。其中步骤一包括1.1流场和结构场的初始建模和网格划分；1.2基于SST湍流模型的流场瞬态模拟；1.3流固耦合界面处的载荷传递过程；1.4基于有限元法的结构动力学计算；1.5流固耦合计算收敛性判定；1.6流体网格重新计算；1.7耦合计算物理时间识别。步骤二包括2.1叶轮进口外环处相互垂直的趋近式传感器的数据采集；2.2双通道数据的低通滤波；2.3各通道数据的相平均计算；2.4提取物理时间尺度内的相平均结果。步骤三包括3.1耦合计算与实验结果的对比判断。

工作过程：首先在三维造型软件ProE中建立研究对象的流动区域和对应的转子结构实体的参数化模型并保存为*.prt文件。利用ICEM软件划分流体区域网格，使用ICEM中的Import功能直接读取ProE生成的流场造型*.prt文件，使用多块化的结构网格划分方法对流场区域进行网格划分，并对边界层进行加密处理，最后保存网格文件*.cfx5。利用ANSYSWorkbench与ProE的智能数据传递接口将转子结构实体造型导入，并使用workbench中的网格自动划分功能生成有Hex单元主导的有限元网格。图2和图3为流体区域网格划分示意图，是基于有限体积法的，图4为结构区域的有限元计算网格。在Transient Analysis中设置结构有限元计算的边界条件，包括在转子轴承安装处设置固定约束Fixed support，叶轮前盖板、叶片和后盖板设置流固耦合交界面，设置计算阻尼系数，最后导出*.inp文件作为耦合计算的结构场输入。在CFX软件中，首先分别对计算各个参数进行初始化，对于每一个物理时间步长，先以稳态结果为初始条件进行瞬态流场的计算，湍流模型选用SST，根据流场的计算结果，提取所考虑的流体与固体交界面处流场的压力载荷p(node，t)，通过流固耦合界面的插值运算将该载荷加载到有限元模型上，并将计算所得的力载荷F(t)作为初始边界条件进行结构的有限元动力学分析(Transient analysis)。对于双向耦合计算，在每个流固耦合界面的壁面处，壁面边界条件设为Mesh motion来模拟结构在流体载荷作用下的变形，CFX向ANSYS求解器传递的是力载荷，接收的是位移载荷。同时，需要判定每个时间步长上流固耦合计算的收敛性，利用MFX系统中的判定模块对耦合界面数据传递的收敛性进行判定，收敛标准设置为0.01。如果耦合计算未收敛，则根据上面结构有限元分析的结果重新对流体网格进行重新计算，使新的流体网格适应结构的变形，然后重新进行流场分析及以上计算过程，如此进入该时间步长的耦合迭代过程。如果耦合计算收敛，则进入下一个时间步长的耦合迭代过程，直至完成所有物理时间步长的计算。对于单向耦合策略，流固耦合壁面边界设为流体网格静止，CFX向ANSYS传递力载荷，不从ANSYS求解器读取位移载荷，总迭代次数设为1，不考虑耦合界面收敛性的条件。在完成几个周期的计算后，通过观察耦合振动计算结果是否周期性稳定来判别计算是否完成，如图5所示。对于实验方面，在叶轮进口外环部位，利用径向平面上相互垂直地布置的趋近式电涡量传感器对转子振动进行测量，测量位置与计算位置相符。根据所分析振动问题的频率，利用Butterworth低通滤波器对采集数据滤波。为了消除实验方面的误差，将多次测量的结果进行相位平均计算，以得到所研究物理时间尺度上的稳定结果。最后，将计算的振动结果和实验的振动结果进行坐标系统一换算，并进行对比，如图6，预测结果十分吻合。如果结果吻合较好则预测结束，如果结果不好则重新进入步骤一，对计算模型和设置参数进行改进分析。

图1中，步骤一包括两种耦合计算方式，即单向耦合(虚线表示)和双向耦合(实线表示)。理论上双向耦合更加准确，而对于结构变形不大、耦合作用不明显的情况，单向耦合更加节省时间。单向耦合计算不包括耦合迭代过程，不需要判定耦合界面载荷传递的收敛性，只传递流场载荷至结构，而结构变形量不影响流场的网格。对于以不可压缩流体水为介质的离心泵，结构变形量不详时，可先进行单向耦合分析，然后分析结构变形量的大小，如果结构变形对流场影响大，则再利用双向耦合进行分析，否则利用高效的单向耦合方法即可。

Claims (4)

1.一种离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，单向和双向全流场瞬态流固耦合计算；包括流场和结构场的初始建模和网格划分，基于SST湍流模型的流场瞬态模拟，流固耦合界面处的载荷传递过程，基于有限元法的结构动力学计算，流固耦合计算收敛性判定，流体网格重新计算，耦合计算物理时间识别；

步骤二，转子振动数据的测量和处理；包括叶轮进口外环处相互垂直的趋近式传感器的数据采集，双通道数据的低通滤波，各通道数据的相平均计算，提取物理时间尺度内的相平均结果；

步骤三，流固耦合数值预测结果与实验结果的对比；包括耦合计算与实验结果的对比判断。

2.根据权利要求1所述的离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法，其特征在于，对于以不可压缩流体水为介质的离心泵，当结构变形量不详时，应先进行单向耦合分析，如果预估结构变形对流场影响大，则再利用双向耦合方法分析。

3.根据权利要求1所述的离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法，其特征在于，对于每一个物理时间步长，首先进行瞬态流场的计算，提取所考虑的流体-固体交界面处流场的载荷数据，通过流固耦合界面的插值运算将该载荷加载到有限元模型上，并作为初始边界条件进行结构的有限元动力学分析；其次，判定该时间步长上流固耦合计算的收敛性，主要是耦合界面数据传递的收敛性。

4.根据权利要求1所述的离心泵转子瞬态流固耦合特性预测方法，其特征在于，利用趋近式电涡量传感器在相互垂直的角度对转子振动进行测量，并将耦合计算的振动结果和实验的振动结果进行坐标系统一换算，并进行对比；耦合计算出现偏差可及时发现，并可对流场和结构场的初始建模的模型和各个参数进行调整，直至预测结果可信。