基于流固耦合分析的船舶离心泵转子模态设计.pdf

第45卷第2 4期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,2023基于流固耦合分析的船舶离心泵转子模态设计詹晓华1.2（1.武汉理工大学，湖北武汉430 0 7 4；2.闽西职业技术学院，福建龙岩36 40 2 1）摘要：流固耦合分析是一种将流体动力学和结构动力学相结合的分析方法，在船舶离心泵转子的模态设计中，通过流固耦合分析可以确定泵转子的关键振动模态和频率，评估流体对泵转子振动的影响，识别潜在的振动问题，并针对性地进行结构优化。本文系统介绍船舶离心泵转子流固耦合分析的过程，从流体力学原理、动力学原理等角度，阐述了流固耦合分析算法，通过建立船舶离心泵转子的有限元模型，在分析软件Workbench中进行了转子的流固耦合模态分析，对于改善船舶离心泵转子的设计水平有重要的意义。关键词：流固耦合；流体力学；离心泵；Workbench中图分类号：U617.24文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 0 8 9-0 4Modal design of ship centrifugal pump rotor based on fluid structure coupling analysis(1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430074,China;2.Minxi Vocational andAbstract:Fluid structure coupling analysis is an analysis method that combines fluid dynamics and structural dynam-ics.In the modal design of ship centrifugal pump rotors,fluid structure coupling analysis can determine the key vibrationmodes and frequencies of the pump rotor,evaluate the impact of fluid on pump rotor vibration,identify potential vibrationproblems,and carry out targeted structural optimization.This article systematically introduces the process of fluid structurecoupling analysis of ship centrifugal pump rotors,and introduces the fluid structure coupling analysis algorithm from the per-spectives of fluid mechanics principles,dynamics principles,etc.By establishing a finite element model of ship centrifugalpump rotors,the fluid structure coupling modal analysis of the rotors is carried out in the analysis software workbench,which is of great significance for improving the design level of ship centrifugal pump rotors.Key words:fluid structure coupling;fluid mechanics;centrifugal pump;Workbench0引言泵产品在船舶行业的应用非常广泛，涉及船舶推进系统、发电系统等方方面面。其中，离心泵是船舶中最常见的泵之一。离心泵是一种常见的动力泵，它通过旋转叶轮产生离心力来将液体输送到所需的位置。离心泵通常由马达、叶轮和泵壳组成。马达提供动力，使叶轮旋转，液体被吸入并在离心力的作用下被推送到泵的出口。船舶离心泵主要用于输送海水、燃油、润滑油等介质，被广泛应用于海水循环系统、消防系统、油料输送系统、排水系统等。收稿日期：2 0 2 3-0 9-19基金项目：福建省龙岩市科技重点项目（2 0 2 1LYF9013）；福建省中青年教师教育科研项目（科技类）（JAT210906）作者简介：詹晓华（19 8 2-），男，硕士，副教授/高级工程师，研究方向为特种专用设备制造技术。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.016ZHAN Xiao-hual2Technical College,Longyan 364021,China)找出其固有频率及振动模态，以评估其结构的稳定性、可靠性和耐久性。离心泵的振动问题是离心泵故障的主要原因之一，因此进行模态分析可以更好地了解离心泵的结构特点，预测其可能出现的振动问题，从而采取相应的措施进行改进和优化。由于离心泵的工作介质是流体，因此进行离心泵的力学分析时需要重点考虑流体和固体的耦合作用，本文介绍流体力学的基础理论，研究一种流固耦合求解算法，并结合Workbench进行了船舶离心泵转子的有限元模态分析。离心泵的模态分析是指对离心泵进行振动分析，901流体力学的端流理论和壁面函数理论1.1流模型计算流体力学（CFD)是联系数理模型和流动现象的重要手段，船舶离心泵的流体力学特性分析必须要引人湍流模型，才能使流场求解方程组收敛。本文主要介绍3种流模型!，分别为涡粘模型、k-8模型和rank-8模型。1）涡粘模型涡粘模型的基础是引人流粘度参数t，用瑞流粘度表示端流应力，此时雷诺应力可表达为：ou+）号（2pk+txi式中：Sij为张量符号；k为端流动能。2)k-8模型k-8模型是一种经典的端流模型，该模型引人了流动力耗散率8，定义如下：oujp(axk)(xk用k-8参数表征端流粘度t为：Mt=pC式中，C为端流离散系数。k-8模型如下式：a(k)a(ouik)十xi(puje)a(08)十3)rank-8模型rank-8流模型在分析流动和涡旋效应时有较大的优势，其基本表达式为：Dkakueffxi+Gk-pen,DxDIateftoxi)D,xi式中：eff为rank-8模型的液体粘度2；Gk、G i 为流的动量。1.2壁面函数理论壁面函数理论的基本假设是：在靠近壁面处，流体中的速度分布主要由摩擦力控制，而在远离壁面处，速度分布主要由惯性力控制。因此，可以将流场舰船科学技术分成2 个区域：壁面附近的边界层和远离壁面的外层。在边界层内，壁面函数通过一些经验公式来计算速度和剪切应力的分布，而在外层，可以使用更简单的流动模型来计算速度和压力的分布。壁面函数是一种在计算流体力学（CFD）中常用的模拟流体在壁面附近的速度和剪切应力的方法。壁面函数理论是基于边界层理论的，边界层理论是描述流体在靠近壁面处，速度剖面变化的一种理论。在CFD模拟中，由于计算网格的限制，通常无法将壁面附近的流场细化到足够小的尺度，因此需要使用壁面函数来模拟壁面附近的流场。壁面函数理论的示意图如图1所示。iiU,Ay壁面图1壁面函数理论的示意图Fig.1Diagram of wall function theory流场与壁面之间的层次划分包括黏性层、对数层、湍流层。对数层区域，流体的切向速度和剪切应力Tp满足对数关系，如下式：okUt=-ln(yt)+C,从+Gxjxjk+xixilKk8Gk第45卷流层对数层黏性层ukpAusyt=8TpUs=P2基于有限元的船舶离心泵转子流固耦合分析2.1流固耦合求解方法研究常见的流固耦合求解方法包括：1）前沿耦合法（Front-CouplingMethod）3。该方法将流体和固体的运动方程分别求解，然后通过界面k条件将两者耦合起来。这种方法的优点是能够处理复杂的流体和固体结构，但计算量较大，适用于小规模问题。2）后沿耦合法（Back-CouplingMethod）。该方法将流体和固体的运动方程同时求解，通过界面条件将两者耦合起来。这种方法的优点是计算效率高，适用于大规模问题，但对于复杂的流体和固体结构可能不够准确。第45卷3）有限元法。该方法分别建立流体和固体的网格，然后通过耦合方程将两者结合起来。这种方法的优点是适用于复杂的流体和固体结构，这也是本文使用的方法。流固耦合的有限元法原理如图2 所示。几何模型流体计算静力学分析CFX流体边界条件定义求解流体计算耦合分析图2 流固耦合的有限元法原理Fig.2 Principle of fluid-structure coupling finite element method可知，需要对流体和固体进行力学特性分析，然后通过载荷和程序耦合环节，将流体和固体的求解联系起来。流固耦合过程首先进行固体（泵）的静力学分析，建立固体的空间弹性体应力模型如图3所示。V詹晓华：基于流固耦合分析的船舶离心泵转子模态设计00yA=yy式中，(R)为体积力向量。刚体的力学特性边界条件如下式：Tx=nxx+nyTyx+nzTzxT,=nxTxy+nyOy+nzTzyT,=nxTxz+nyTxy+nzoz.定义耦合面式中：（(nx,ny,nz)为法向量；(Tx,Ty,T.)为边界作用力。2.2模态理论分析载荷添加模态分析是指通过理论计算和数学模型推导的方法，对结构或系统的振动特性进行分析。这种分析方程序耦合法通常用于预测结构在固有频率和振型方面的特性。本文基于有限元方法对船舶离心泵结构进行模态分析4。建立结构的运动学微分方程如下：M(x+CI(x+K(x)=(F(t)。式中：M、C、K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，矩阵均为n阶方程，x)、(x)、(x)分别为加速度向量、速度向量和位移。对微分方程进行拉普拉斯变换可得：(s MI+sC+K)(X(s)=(F(s),X(s)=+X(t)e-sdt,+91zzyyzF(s)=fF(t)e-stdt。基于有限元软件的模态分析流程如图4所示。参数定义图3固体的空间弹性体应力模型几何建模Fig.3 Spatial elastomer stress model of solid刚体的基本变量包括位移向量(u)、应变向量(s)、应力向量()，阵列形式如下：(u=u,V,wT,(s=ex,Ey,8z,Yxy,xx,xx(o=gx,0 y,z,Txy,Tx,Tzx系统的平衡方程为：A(o+(R)=0,其中，A为微分算子，如下式：Proe有限元建模Workbench静态仿真分析图4基于有限元软件的模态分析流程Fig.4 Modal analysis process based on finite element software2.3基于有限元分析的船舶离心泵转子流固耦合模态分析基于有限元分析的船舶离心泵转子流固耦合模态分析环节包括：921）三维建模离心泵转子的三维建模基于CREO软件，如图5所示。舰船科学技术第45卷1.049e-029.620e-038.745e-03L7.871e-036.996e-036.122e-035.247e-03eW4.373e-033.498e-032.624e-031.749e-038.745e-038.109e-03图7 离心泵转子模态仿真云图Fig.7 Cloud image of rotor mode simulation of centrifugal pump0图5离心泵转子的三维建模Fig.5Three-dimensional modeling of centrifugal pump rotor2）有限元建模由于离心泵转子结构模型较为复杂，网格的划分方法选用四面体自动划分网格法，有限元网格在work-bench软件中完成，网格单元的尺寸设置为5mm，生成网格数为12 49 6 4，有限元模型如图6 所示。图6 离心泵转子结构有限元模型Fig.6 Centrifugal pump rotor structure3）载荷与求解载荷及边界条件包括：进口压力值为1个标准大气压，流强度设置为450 0；出口流量设置为标准流量；壁面采用无滑移壁面。图7 为基于流固耦合分析的离心泵转子模态仿真云图。可知，离心泵转子最大振幅为1.0 49 E-02，位于扇叶根部位置。3结语船舶离心泵转子的优化设计是一个复杂的工程问400200800mm600题，涉及到流体力学、结构力学和振动特性等多个领域。本文基于流固耦合分析进行船舶离心泵转子的仿真和优化设计，通过计算流体动力学（CFD）方法，对离心泵内部的流场进行分析，采用有限元分析（FEA）等方法，对离心泵转子的结构进行分析，将流场分析和结构分析进行耦合，并在Workbench中进行了结构仿真。参考文献：1】李春光，阎慧东,张华栋，等.基于振动阈值的船舶离心泵系统建造阶段声学故障诊断方法J.船舶,2 0 19,33(3):116-12 5.LI Chun-guang,YAN Hui-dong,ZHANG Hua-dong,et al.Acoustic fault diagnosis method of marine centrifugal pumpsystem during construction based on vibration thresholdJ.Ships,2019,33(3):116-125.2】陈海燕，许丽华，罗兆伟.流固耦合技术在船舶离心泵转子的模态分析J.船舶科学技术，2 0 17,39(2 2)：7 9-8 1.CHEN Hai-yan,XU Li-hua,LUO Zhao-wei,Modal Analysis offluid-structure coupling technology in marine centrifugal pumprotorJ.Ship Science and Technology,2017,39(22):79-81.3 邱勇，王辉.船舶用立式离心泵轴封的设计优化.液压气动与密封,2 0 15,35(4):52-54.QIU Yong,WANG Hui.Design optimization of shaft Seal formarine vertical centrifugal pumpJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2015,35(4):52-54.4】吴仁荣.船舶系统用离心泵的应用场合和结构特点.船舶辅助机电设备，19 7 6(3):30-37.WU Ren-rong.Application and structural characteristics of cen-trifugal pump for marine systemJJ.Ship Auxiliary Electricaland Mechanical Equipment,1976(3):30-37.