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燈泡貫流泵裝置具有進(jìn)出水水流平順、水力損失小、裝置效率高等特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α＝陙?lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及CFD理論和技術(shù)的成熟，有限元分析模擬方法在研究水泵裝置方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。陸林廣等通過(guò)對(duì)前置、后置燈泡貫流泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采用數(shù)值模擬方法研究燈泡貫流泵裝置內(nèi)部的三維流動(dòng)及燈泡貫流泵的水力性能是可行的。金燕等通過(guò)對(duì)后置燈泡貫流泵裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了泵裝置內(nèi)部速度場(chǎng)的分布，通過(guò)將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在高效區(qū)附近吻合較好，但在小流量和大流量工況下存在偏差。
對(duì)流固耦合問(wèn)題的研究可以追溯到19世紀(jì)初，人們對(duì)于流固耦合現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)源于機(jī)翼及葉片的氣動(dòng)彈性問(wèn)題。近年來(lái)，一些學(xué)者將流固耦合方法應(yīng)用在水力機(jī)械研究領(lǐng)域。葉輪作為燈泡貫流泵的關(guān)鍵部件之一，其剛強(qiáng)度性能影響到機(jī)組的運(yùn)行安全性．施衛(wèi)東等通過(guò)單向流固耦合模型對(duì)多級(jí)潛水泵葉輪進(jìn)行應(yīng)力變形分析，發(fā)現(xiàn)該葉輪最大等效應(yīng)力及變形量主要受流體壓力作用的影響。鄭小波等采用有限元方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了軸流式水輪機(jī)葉片的剛強(qiáng)度分析，結(jié)果表明葉片的應(yīng)力和變形最大值出現(xiàn)在最大水頭額定出力工況．肖若富等利用順序流固耦合方法對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在各種工況下的應(yīng)力特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明大部分工況下轉(zhuǎn)輪葉片最大靜應(yīng)力基本上與水輪機(jī)功率呈線性關(guān)系．李偉等應(yīng)用單向流固耦合方法對(duì)斜流泵葉片進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片中間區(qū)域，最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的疲勞極限，葉輪最大變形出現(xiàn)在葉片輪緣處，流體作用力是影響葉輪強(qiáng)度的主要因素。
文中應(yīng)用Fluent軟件對(duì)燈泡貫流泵進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場(chǎng)并預(yù)測(cè)其外特性，并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件采用順序流固耦合方法對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析，得到不同工況下葉輪葉片表面的靜應(yīng)力分布，為燈泡貫流泵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供一定的參考。
本次所計(jì)算的燈泡貫流泵性能參數(shù)分別為流量Qd=4 850.3 m3/h，揚(yáng)程Hd=4.39 m，轉(zhuǎn)速n=740r/min，功率Pd=69.4 kW，效率ηd=83.5%，其幾何參數(shù)分別為葉輪葉片數(shù)Z=3，葉輪直徑D=700mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zg=5，泵水體部分造型如圖所示。
由于燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，利用ANSYS ICEM軟件對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉輪和導(dǎo)葉區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行定常計(jì)算后比較外特性的值，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算資源，最終選用網(wǎng)格總數(shù)為1 743 631。
采用雷諾時(shí)均N-S方程描述燈泡貫流泵內(nèi)部不可壓縮的湍流流動(dòng)，湍流模型采用RNG k-ε模型．RNG k-ε模型是由標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型改進(jìn)而來(lái)的，在RNG k-ε模型中，通過(guò)修正湍流黏度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況。
在計(jì)算中，采用速度進(jìn)口(velocity-inlet)邊界條件，在進(jìn)水喇叭管前加一進(jìn)水段，以保證進(jìn)入流道的水流更符合實(shí)際狀況。進(jìn)口流速由每個(gè)工況點(diǎn)的流量求得。
采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，并在出水流道的出口處加一段出水延伸段，出口設(shè)在該段的出口面，以保證出口處的流動(dòng)是充分發(fā)展的湍流，壓力值設(shè)為0。
計(jì)算中，裝置的進(jìn)出水流道壁面、導(dǎo)葉體以及燈泡體均設(shè)置為靜止壁面，采用無(wú)滑移條件，近壁區(qū)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)．所有與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的壁面(輪轂、葉片的壓力面和吸力面)均設(shè)為運(yùn)動(dòng)壁面，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與葉輪旋轉(zhuǎn)的速度一致。
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