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燈泡貫流泵裝置具有進出水水流平順、水力損失小、裝置效率高等特點，具有較大的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α＝陙�，隨著計算機技術的發(fā)展以及CFD理論和技術的成熟，有限元分析模擬方法在研究水泵裝置方面得到越來越廣泛的應用。陸林廣等通過對前置、后置燈泡貫流泵內(nèi)部流場的數(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)部的三維流動及燈泡貫流泵的水力性能是可行的。金燕等通過對后置燈泡貫流泵裝置內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，分析了泵裝置內(nèi)部速度場的分布，通過將數(shù)值模擬計算結(jié)果與模型試驗的數(shù)據(jù)對比，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。
對流固耦合問題的研究可以追溯到19世紀初，人們對于流固耦合現(xiàn)象的早期認識源于機翼及葉片的氣動彈性問題。近年來，一些學者將流固耦合方法應用在水力機械研究領域。葉輪作為燈泡貫流泵的關鍵部件之一，其剛強度性能影響到機組的運行安全性．施衛(wèi)東等通過單向流固耦合模型對多級潛水泵葉輪進行應力變形分析，發(fā)現(xiàn)該葉輪最大等效應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行應力計算，實現(xiàn)了軸流式水輪機葉片的剛強度分析，結(jié)果表明葉片的應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混流式水輪機轉(zhuǎn)輪在各種工況下的應力特性進行計算，結(jié)果表明大部分工況下轉(zhuǎn)輪葉片最大靜應力基本上與水輪機功率呈線性關系．李偉等應用單向流固耦合方法對斜流泵葉片進行分析，發(fā)現(xiàn)最大應力出現(xiàn)在葉片中間區(qū)域，最大等效應力遠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度的主要因素。
文中應用Fluent軟件對燈泡貫流泵進行全流道數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場并預測其外特性，并應用ANSYS Workbench軟件采用順序流固耦合方法對葉輪進行結(jié)構場分析，得到不同工況下葉輪葉片表面的靜應力分布，為燈泡貫流泵裝置的優(yōu)化設計及安全運行提供一定的參考。
本次所計算的燈泡貫流泵性能參數(shù)分別為流量Qd=4 850.3 m3/h，揚程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)構比較復雜，利用ANSYS ICEM軟件對流體區(qū)域進行非結(jié)構網(wǎng)格劃分，并對葉輪和導葉區(qū)域進行網(wǎng)格加密，通過對不同網(wǎng)格數(shù)進行定常計算后比較外特性的值，同時為了節(jié)省計算資源，最終選用網(wǎng)格總數(shù)為1 743 631。
采用雷諾時均N-S方程描述燈泡貫流泵內(nèi)部不可壓縮的湍流流動，湍流模型采用RNG k-ε模型．RNG k-ε模型是由標準k-ε模型改進而來的，在RNG k-ε模型中，通過修正湍流黏度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況。
在計算中，采用速度進口(velocity-inlet)邊界條件，在進水喇叭管前加一進水段，以保證進入流道的水流更符合實際狀況。進口流速由每個工況點的流量求得。
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，出口設在該段的出口面，以保證出口處的流動是充分發(fā)展的湍流，壓力值設為0。
計算中，裝置的進出水流道壁面、導葉體以及燈泡體均設置為靜止壁面，采用無滑移條件，近壁區(qū)應用標準壁面函數(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)均設為運動壁面，轉(zhuǎn)動速度與葉輪旋轉(zhuǎn)的速度一致。
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