專利名稱：離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于與泵類機(jī)械內(nèi)部不可壓瞬態(tài)湍流流場及其誘導(dǎo)振動相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，并引入了流固耦合理論和方法進(jìn)行計(jì)算分析。
背景技術(shù)：
泵是重要的能量轉(zhuǎn)換裝置和流體輸送設(shè)備，其中離心泵應(yīng)用最為廣泛。離心泵不僅應(yīng)用在石油、化工、水利等工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，而且是航空、艦船、潛艇等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。離心泵在運(yùn)行過程中會不可避免地產(chǎn)生振動，振動會影響離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，并影響機(jī)器壽命。在隱蔽性很高的艦船和潛艇等國防設(shè)備中，離心泵的振動噪聲問題將直接影響其安全性。泵是重大工程的關(guān)鍵設(shè)備，盡可能地減小振動可以提高泵機(jī)組運(yùn)行的可靠性，并可以降低重大事故的發(fā)生率，從而保證人身安全，避免國民財(cái)產(chǎn)遭受損失，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。目前，由于泵內(nèi)部復(fù)雜流動產(chǎn)生的周期性載荷是導(dǎo)致振動的不可忽視的因素，并且更加難以控制，同時，由于流場和結(jié)構(gòu)之間存在著流固耦合作用，使得問題變得更加復(fù)雜。流動誘導(dǎo)振動現(xiàn)象已經(jīng)成為工程實(shí)際中亟待解決的問題。因此，為了深入分析離心泵轉(zhuǎn)子流動誘導(dǎo)振動特性，有必要設(shè)計(jì)一種能夠快速、準(zhǔn)確的，且考慮流固耦合作用的誘導(dǎo)振動預(yù)測方法。經(jīng)檢索，考慮流固耦合作用的數(shù)值預(yù)測方法相關(guān)的申報專利有一種柔性翼微型飛行器的流固耦合數(shù)值仿真方法，申請?zhí)?00710099599 ;—種基于流固耦合分析的沖蝕破壞失效定量預(yù)測方法，申請?zhí)?00710068482 種機(jī)床主軸的流固熱耦合數(shù)值仿真方法，申請?zhí)?01110002309 ;葉輪機(jī)械計(jì)入葉間相位角的氣彈穩(wěn)定性流固耦合預(yù)測方法，申請?zhí)?01010209793。目前這些專利中，還沒有關(guān)于離心泵流動誘導(dǎo)振動的數(shù)值預(yù)測方法的申報專利，同時，也沒有針對于以不可壓縮流體水為工作介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流固耦合現(xiàn)象的預(yù)測方法。此外，對于以上流固耦合預(yù)測方法都沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證步驟，無法最大限度的確保預(yù)測的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種針對以不可壓流體水為介質(zhì)的離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性的數(shù)值預(yù)測方法，同時，能夠以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程保證整個方法預(yù)測的正確性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對離心泵轉(zhuǎn)子流動誘導(dǎo)振動現(xiàn)象進(jìn)行快速、高精度的數(shù)值預(yù)測，在泵技術(shù)領(lǐng)域具有良好的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。離心泵轉(zhuǎn)子流固耦合振動特性預(yù)測方法包括三大步驟步驟一利用ANSYS MFX系統(tǒng)進(jìn)行單向和雙向全流場瞬態(tài)流固耦合計(jì)算；步驟二 利用徑向相互垂直布置的兩個電渦量傳感器對轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)進(jìn)行測量測量和處理；步驟三流固耦合數(shù)值預(yù)測的振動位移結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。首先在三維造型軟件ProE中建立研究對象的流動區(qū)域和對應(yīng)·的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)體的參數(shù)化模型并保存為*.prt文件。利用ICEM軟件劃分流體區(qū)域網(wǎng)格，使用ICEM中的Import功能直接讀取ProE生成的流場造型*. prt文件,使用多塊化的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對邊界層進(jìn)行加密處理，最后保存網(wǎng)格文件*. cfx5。利用ANSYS Workbench與ProE的智能數(shù)據(jù)傳遞接口將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)體造型導(dǎo)入,并使用workbench中的網(wǎng)格自動劃分功能生成有Hex單元主導(dǎo)的有限元網(wǎng)格。在TransientAnalysis中設(shè)置結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的邊界條件，包括在轉(zhuǎn)子軸承安裝處設(shè)置固定約束Fixedsupport，葉輪前蓋板、葉片和后蓋板設(shè)置流固耦合交界面，設(shè)置計(jì)算阻尼系數(shù)，最后導(dǎo)出*. inp文件作為耦合計(jì)算的結(jié)構(gòu)場輸入。在CFX軟件中，首先分別對計(jì)算各個參數(shù)進(jìn)行初始化，對于每一個物理時間步長，先以穩(wěn)態(tài)結(jié)果為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)流場的計(jì)算，湍流模型選用SST，根據(jù)流場的計(jì)算結(jié)果，提取所考慮的流體與固體交界面處流場的壓力載荷P (node，t)，通過流固耦合界面的插值運(yùn)算將該載荷加載到有限元模型上，并將計(jì)算所得的力載荷F(t)作為初始邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)分析(Transient analysis)。對于雙向率禹合計(jì)算，在每個流固稱合界面的壁面處，壁面邊界條件設(shè)為Mesh motion來模擬結(jié)構(gòu)在流體載荷作用下的變形，CFX向ANSYS求解器傳遞的是力載荷，接收的是位移載荷。同時，需要判定每個時間步長上流固耦合計(jì)算的收斂性，利用MFX系統(tǒng)中的判定模塊對耦合界面數(shù)據(jù)傳遞的收斂性進(jìn)行判定，收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為O. 01。如果耦合計(jì)算未收斂，則根據(jù)上面結(jié)構(gòu)有限元分析的結(jié)果重新對流體網(wǎng)格進(jìn)行重新計(jì)算，使新的流體網(wǎng)格適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形，然后重 新進(jìn)行流場分析及以上計(jì)算過程，如此進(jìn)入該時間步長的耦合迭代過程。如果耦合計(jì)算收斂，則進(jìn)入下一個時間步長的耦合迭代過程，直至完成所有物理時間步長的計(jì)算。對于單向耦合策略，流固耦合壁面邊界設(shè)為流體網(wǎng)格靜止，CFX向ANSYS傳遞力載荷，不從ANSYS求解器讀取位移載荷，總迭代次數(shù)設(shè)為1，不考慮耦合界面收斂性的條件。對于實(shí)驗(yàn)方面，在葉輪進(jìn)口外環(huán)部位，利用徑向平面上相互垂直地布置的趨近式電渦量傳感器對轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行測量，測量位置與計(jì)算位置相符。根據(jù)所分析振動問題的頻率，利用Butterworth低通濾波器對采集數(shù)據(jù)濾波。為了消除實(shí)驗(yàn)方面的誤差，將多次測量的結(jié)果進(jìn)行相位平均計(jì)算，以得到所研究物理時間尺度上的穩(wěn)定結(jié)果。最后，將計(jì)算的振動結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的振動結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一換算，并進(jìn)行對比。如果結(jié)果吻合較好則預(yù)測結(jié)束，如果結(jié)果不好則重新進(jìn)入步驟一，對計(jì)算模型和設(shè)置參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)分析。步驟一中包括兩種I禹合計(jì)算方式，即單向I禹合和雙向I禹合。理論上雙向I禹合更加準(zhǔn)確，而對于結(jié)構(gòu)變形不大、耦合作用不明顯的情況，單向耦合更加節(jié)省時間。單向耦合計(jì)算不包括耦合迭代過程，不需要判定耦合界面載荷傳遞的收斂性，只傳遞流場載荷至結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)變形量不影響流場的網(wǎng)格。對于以不可壓縮流體水為介質(zhì)的離心泵，結(jié)構(gòu)變形量不詳時，可先進(jìn)行單向耦合分析，然后分析結(jié)構(gòu)變形量的大小，如果結(jié)構(gòu)變形對流場影響大，則再利用雙向耦合進(jìn)行分析，否則利用高效的單向耦合方法即可。本發(fā)明的有益效果在于(I)耦合方式選擇靈活，不拘泥于單一的耦合形式，可以根據(jù)不同問題、不同需求對離心泵轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行分析。(2)預(yù)測結(jié)果由實(shí)驗(yàn)保證，耦合計(jì)算出現(xiàn)偏差可及時發(fā)現(xiàn)，并可對模型和各個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至預(yù)測結(jié)果可信。


圖I為離心泵轉(zhuǎn)子流動誘導(dǎo)振動特性瞬態(tài)流固耦合預(yù)測及驗(yàn)證方法示意圖。
圖2為離心泵流體計(jì)算網(wǎng)格示意圖。圖3為圖2中葉輪面網(wǎng)格示意4為葉輪結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格和流固耦合面示意圖。圖5為流固稱合振動計(jì)算一維結(jié)果示意圖。圖6為流固稱合振動計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合應(yīng)用實(shí)例附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述如圖I所示，離心泵轉(zhuǎn)子流固耦合振動特性預(yù)測方法包括三大步驟步驟一單向和雙向全流場瞬態(tài)流固耦合計(jì)算；步驟二 轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)的測量和處理；步驟三流固耦合數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。其中步驟一包括1.1流場和結(jié)構(gòu)場的初始建模和網(wǎng)格劃分；1. 2基于SST湍流模型的流場瞬態(tài)模擬；1. 3流固耦合界面處的載荷傳遞過程；1. 4基于有限元法的結(jié)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算；I. 5流固耦合計(jì)算收斂性判定；I. 6流體網(wǎng)格重新計(jì)算；1. 7耦合計(jì)算物理時間識別。步驟二包括2. I葉輪進(jìn)口外環(huán)處相互垂直的趨近式傳感器的數(shù)據(jù)采集；2. 2雙通道數(shù)據(jù)的低通濾波；2. 3各通道數(shù)據(jù)的相平均計(jì)算；2. 4提取物理時間尺度內(nèi)的相平均結(jié)果。步驟三包括3. I耦合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比判斷。工作過程首先在三維造型軟件ProE中建立研究對象的流動區(qū)域和對應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)體的參數(shù)化模型并保存為*. Prt文件。利用ICEM軟件劃分流體區(qū)域網(wǎng)格，使用ICEM中的Import功能直接讀取ProE生成的流場造型*. prt文件,使用多塊化的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對邊界層進(jìn)行加密處理，最后保存網(wǎng)格文件cfx5。利用ANSYSfforkbench與ProE的智能數(shù)據(jù)傳遞接口將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)體造型導(dǎo)入,并使用workbench中的網(wǎng)格自動劃分功能生成有Hex單元主導(dǎo)的有限元網(wǎng)格。圖2和圖3為流體區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖，是基于有限體積法的，圖4為結(jié)構(gòu)區(qū)域的有限元計(jì)算網(wǎng)格。在TransientAnalysis中設(shè)置結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的邊界條件，包括在轉(zhuǎn)子軸承安裝處設(shè)置固定約束Fixedsupport，葉輪前蓋板、葉片和后蓋板設(shè)置流固耦合交界面，設(shè)置計(jì)算阻尼系數(shù)，最后導(dǎo)出*. inp文件作為耦合計(jì)算的結(jié)構(gòu)場輸入。在CFX軟件中，首先分別對計(jì)算各個參數(shù)進(jìn)行初始化，對于每一個物理時間步長，先以穩(wěn)態(tài)結(jié)果為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)流場的計(jì)算，湍流模型選用SST，根據(jù)流場的計(jì)算結(jié)果，提取所考慮的流體與固體交界面處流場的壓力載荷p(node，t)，通過流固耦合界面的插值運(yùn)算將該載荷加載到有限元模型上，并將計(jì)算所得的力載荷F(t)作為初始邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)分析(Transient analysis)。對于雙向率禹合計(jì)算，在每個流固稱合界面的壁面處，壁面邊界條件設(shè)為Mesh motion來模擬結(jié)構(gòu)在流體載荷作用下的變形，CFX向ANSYS求解器傳遞的是力載荷，接收的是位移載荷。同時，需要判定每個時間步長上流固耦合計(jì)算的收斂性，利用MFX系統(tǒng)中的判定模塊對耦合界面數(shù)據(jù)傳遞的收斂性進(jìn)行判定，收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為O. 01。如果耦合計(jì)算未收斂，則根據(jù)上面結(jié)構(gòu)有限元分析的結(jié)果重新對流體網(wǎng)格進(jìn)行重新計(jì)算，使新的流體網(wǎng)格適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形，然后重新進(jìn)行流場分析及以上計(jì)算過程，如此進(jìn)入該時間步長的耦合迭代過程。如果耦合計(jì)算收斂，則進(jìn)入下一個時間步長的耦合迭代過程，直至完成所有物理時間步長的計(jì)算。對于單向耦合策略，流固耦合壁面邊界設(shè)為流體網(wǎng)格靜止，CFX向ANSYS傳遞力載荷，不從ANSYS求解器讀取位移載荷，總迭代次數(shù)設(shè)為1，不考慮耦合界面收斂性的條件。在完成幾個周期的計(jì)算后，通過觀察耦合振動計(jì)算結(jié)果是否周期性穩(wěn)定來判別計(jì)算是否完成，如圖5所示。對于實(shí)驗(yàn)方面，在葉輪進(jìn)口外環(huán)部位，利用徑向平面上相互垂直地布置的趨近式電渦量傳感器對轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行測量，測量位置與計(jì)算位置相符。根據(jù)所分析振動問題的頻率，利用Butterworth低通濾波器對采集數(shù)據(jù)濾波。為了消除實(shí)驗(yàn)方面的誤差，將多次測量的結(jié)果進(jìn)行相位平均計(jì)算，以得到所研究物理時間尺度上的穩(wěn)定結(jié)果。最后，將計(jì)算的振動結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的振動結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一換算，并進(jìn)行對比，如圖6，預(yù)測結(jié)果十分吻合。如果結(jié)果吻合較好則預(yù)測結(jié)束，如果結(jié)果不好則重新進(jìn)入步驟一，對計(jì)算模型和設(shè)置參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)分析。圖I中，步驟一包括兩種耦合計(jì)算方式，即單向耦合(虛線表示)和雙向耦合(實(shí)線表示)。理論上雙向耦合更加準(zhǔn)確，而對于結(jié)構(gòu)變形不大、耦合作用不明顯的情況，單向耦合更加節(jié)省時間。單向耦合計(jì)算不包括耦合迭代過程，不需要判定耦合界面載荷傳遞的收斂性，只傳遞流場載荷至結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)變形量不影響流場的網(wǎng)格。對于以不可壓縮流體水為介質(zhì)的離心泵，結(jié)構(gòu)變形量不詳時，可先進(jìn)行單向耦合分析，然后分析結(jié)構(gòu)變形量的大小，如果結(jié)構(gòu)變形對流場影響大，則再利用雙向耦合進(jìn)行分析，否則利用高效的單向耦合方法即可。·
權(quán)利要求
1.一種離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一,單向和雙向全流場瞬態(tài)流固I禹合計(jì)算；包括流場和結(jié)構(gòu)場的初始建模和網(wǎng)格劃分，基于SST湍流模型的流場瞬態(tài)模擬，流固耦合界面處的載荷傳遞過程，基于有限元法的結(jié)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算，流固稱合計(jì)算收斂性判定，流體網(wǎng)格重新計(jì)算，稱合計(jì)算物理時間識別； 步驟二，轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)的測量和處理；包括葉輪進(jìn)口外環(huán)處相互垂直的趨近式傳感器的數(shù)據(jù)采集，雙通道數(shù)據(jù)的低通濾波，各通道數(shù)據(jù)的相平均計(jì)算，提取物理時間尺度內(nèi)的相平均結(jié)果； 步驟三，流固耦合數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比；包括耦合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比判斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性預(yù)測方法，其特征在于，對于以不可壓縮流體水為介質(zhì)的離心泵，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形量不詳時，應(yīng)先進(jìn)行單向耦合分析，如果預(yù)估結(jié)構(gòu)變形對流場影響大，則再利用雙向耦合方法分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性預(yù)測方法，其特征在于，對于每一個物理時間步長，首先進(jìn)行瞬態(tài)流場的計(jì)算，提取所考慮的流體-固體交界面處流場的載荷數(shù)據(jù)，通過流固耦合界面的插值運(yùn)算將該載荷加載到有限元模型上，并作為初始邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)分析；其次，判定該時間步長上流固耦合計(jì)算的收斂性，主要是耦合界面數(shù)據(jù)傳遞的收斂性。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離心泵轉(zhuǎn)子瞬態(tài)流固耦合特性預(yù)測方法，其特征在于，利用趨近式電渦量傳感器在相互垂直的角度對轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行測量，并將計(jì)算的振動結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的振動結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一換算，并進(jìn)行對比；耦合計(jì)算出現(xiàn)偏差可及時發(fā)現(xiàn)，并可對模型和各個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至預(yù)測結(jié)果可信。
全文摘要
本發(fā)明屬于與泵類機(jī)械流動誘導(dǎo)振動相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，是瞬態(tài)流固耦合特性的數(shù)值預(yù)測方法。主要包括三個步驟單向和雙向全流場瞬態(tài)流固耦合計(jì)算；轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)的測量和處理；流固耦合數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。本發(fā)明能夠靈活選擇耦合方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形量不詳時，先進(jìn)行單向耦合分析，如果預(yù)估結(jié)構(gòu)變形對流場影響大，則再利用雙向耦合分析。對于耦合計(jì)算過程，首先進(jìn)行瞬態(tài)流場計(jì)算，將載荷通過耦合界面的插值運(yùn)算加載到有限元模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析。判定耦合界面數(shù)據(jù)傳遞的收斂性，如果耦合計(jì)算未收斂，則根據(jù)結(jié)構(gòu)變形重新對流體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，繼續(xù)該時間步長的耦合迭代。
文檔編號F04D15/00GK102913464SQ20121034761
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者裴吉, 袁壽其, 王文杰, 袁建平, 司喬瑞, 陽君 申請人:江蘇大學(xué)