基于流固耦合的典型機(jī)械部件多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬分析.pdf

1、機(jī)械在人類(lèi)生產(chǎn)生活著起著越來(lái)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(lái)越重要的作用,它是主要研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響的交互作用的一門(mén)學(xué)科。例如航空和航天工程中，飛機(jī)的氣動(dòng)彈性振動(dòng)問(wèn)題、超音速飛行外殼風(fēng)阻問(wèn)題和含液容器的晃動(dòng)問(wèn)題；水利設(shè)施以及海洋工程結(jié)構(gòu)水彈性振動(dòng)問(wèn)題；地下儲(chǔ)層（油、氣、水、煤）多孔介質(zhì)滲透；斜拉索橋梁的抗風(fēng)振動(dòng)問(wèn)題。如何使處在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)械部件平穩(wěn)、安全和高效地運(yùn)行和流固耦合

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

3、的多相流模型、湍流模型和小變形動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及ICEM動(dòng)網(wǎng)格腳本文件技術(shù)，對(duì)機(jī)械部件內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果后處理得到的三維流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，反映固液兩相、氣液兩相下的內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)以及各種參數(shù)影響。通過(guò)數(shù)值分析，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，大大縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本、改善及提高機(jī)械裝置的性能、對(duì)使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出預(yù)測(cè)。
　　本文所分析的機(jī)械部件均為企業(yè)所提供，運(yùn)用CFD（Computational

4、Fluid Dynamics）的方法分析其內(nèi)流場(chǎng)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(duì)分析對(duì)象—離心式吸砂泵和分動(dòng)器進(jìn)行建模，為了降低計(jì)算成本和分析問(wèn)題需要，對(duì)這兩種機(jī)械部件部分進(jìn)行了可行范圍內(nèi)的簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)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(jì)算湍流模型RNG k-ε和動(dòng)網(wǎng)格，對(duì)部件內(nèi)部?jī)上嗔髁鲌?chǎng)進(jìn)行仿真分析。比較真實(shí)地反映了瞬態(tài)下固液和氣液兩相

5、的速度矢量、壓力勢(shì)分布及變化情況。
　　2、針對(duì)典型旋轉(zhuǎn)部件離心式吸砂泵，通過(guò)在國(guó)家水泵實(shí)驗(yàn)中心完成水泵清水相工況的實(shí)驗(yàn)，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(guò)3.1％，該實(shí)驗(yàn)有效地保證了仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象的準(zhǔn)確性；然后采用不同粒徑和不同轉(zhuǎn)速工況，對(duì)離心式吸砂泵速度場(chǎng)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(diǎn)，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(diǎn)的變化規(guī)律。有如下結(jié)

6、論：?jiǎn)坞p向耦合并沒(méi)有改變整體流場(chǎng)趨勢(shì)，在局部位置上，葉輪變形以及對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)于葉輪流場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生不同程度的影響，隨著時(shí)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(yùn)行。
　　3、針對(duì)典型傳動(dòng)部件分動(dòng)器，數(shù)值模擬出分動(dòng)器內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后齒輪選擇在某一工況轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，注入不同體積量的潤(rùn)滑油液油即高于、低于XY基準(zhǔn)平面49.35mm和XY平面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出結(jié)論。即過(guò)低和過(guò)高注油量都會(huì)導(dǎo)致攪油潤(rùn)滑效率的下