多级潜水泵的叶轮采用多级串联方式工作，一旦设计强度不够或者超负荷运转，非常容易遭到破坏。叶轮的结构强度关系到整个机组的可靠性及安全稳定运行，因此，对多级潜水泵叶轮进行强度分析显得尤为重要。
      由于高速旋转，多级潜水泵叶轮内部为复杂的三维湍流流动，运行中叶轮受到较大的流体压力，因而会产生一定量的结构变形。对于流场引起的结构变形问题，若采用流场与结构单独求解的方法，将导致计算结果偏离实际情况，而流固耦合方法能准确反映流体-结构变形的相互作用，近年来获得越来越多的应用。目前，在旋转机械流固耦合研究方面，已有很多研究成果报道。但是，目前为止还尚未发现对多级潜水泵进行流固耦合的研究。因此，本文利用ANSYS的Workbench平台，对多级潜水泵叶轮进行单向流固耦合求解，分别计算出多级潜水泵叶轮在流体压力、离心力及两者共同作用时的应力和变形量分布。分析流量变化对叶轮应力及变形量的影响，并对叶轮强度进行校核，为多级潜水泵叶轮的结构强度设计提供依据。
      流固耦合力学是流体力学和固体力学交叉产生的一门力学分支，主要涉及固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场的影响。按处理方法的不同，可以把流固耦合有限元分析方法分为：非耦合方法、弱耦合方法和强耦合方法。在多级潜水泵中，叶轮大多采用不锈钢或工程塑料制造，叶轮结构在流场作用下的变形量一般较小。考虑到多级潜水泵过流部件边界非常复杂，开展强耦合研究比较困难，而采用弱耦合方法中的单向耦合较为可行。因此，本文只研究流场对叶轮结构的作用，而忽略结构变形对流场的影响。
      以150QJ20型多级潜水泵叶轮为研究对象，对其进行数值计算及试验。设计参数为：流量Q=20 m³/h、单级扬程H=11 m、转速n=2850 r/min。叶轮叶片数为7，采用扭曲叶片。其叶轮结构示意图和计算模型分别如图所示。
      根据有关文献的介绍，本文所进行的流场计算区域只要取多级潜水泵的两级三维全流场(包括进口段、第1级叶轮水体、第1级导叶水体、第2级叶轮水体、第2级导叶水体、出口段)即可，结构区域只考虑叶轮。运用Gambit软件对流场划分四面体非结构网格，共划分1635041个单元。结构域使用ANSYS Workbench软件中的网格划分功能，对叶轮划分自由网格，共划分91386个单元。
      流场计算在Fluent中进行，将进口段向前延伸1倍叶轮外径，设置进口端面处来流速度均匀。将出口段向后延伸至2倍叶轮外径处，出口端面流动满足充分发展状态，边界条件设置为出流(Outflow)形式。采用标准k-ε湍流模型，SIMPLEC算法，设进口面中心处为压力参考点，其相对压力为零，设置收敛精度为1×10^-5。设置无滑移固壁面边界条件，即壁面上各向速度均为零。对近壁面的湍流流动按标准壁面函数处理。
      多级潜水泵内部流场的数值计算控制方程包括流体域的连续性方程、动量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程。
      叶轮所受载荷主要为离心力和表面压力，离心力通过设置叶轮密度、重力加速度及旋转速度施加，表面压力主要为作用在叶轮表面的流体压力载荷。将叶轮与流体接触的表面属性设置为Fluid SolidInterface，以引入流场的压力载荷信息。
      为验证数值模拟的准确性，对该型号的多级潜水泵进行了外特性试验。图所示为由试验得到的泵效率η及单级扬程H与数值模拟结果对比图，其中Q/Qopt表示实际流量与设计流量的比值。从图中可以看出，模拟预测的泵效率随着流量的增大先增大后减小，在设计工况达到最大值；扬程则随着流量的增大而逐渐减小，预测的性能曲线趋势与试验结果基本一致。另外，在设计工况附近误差较小，偏离设计工况时误差较大，基本验证了数值模拟方法是准确的。

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