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減壓塔底泵是煉油裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，基于流固耦合的有限元分析方法可以檢驗(yàn)泵體的可靠性。對(duì)泵體的強(qiáng)度分析包括計(jì)算泵體的應(yīng)力值與泵體的總變形量。BHONE等利用試驗(yàn)技術(shù)和有限元分析方法分析了離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的應(yīng)力、噪聲及流動(dòng)狀態(tài)等；GAMEZ-MONTERO等利用有限元法研究了齒輪泵作為液壓器械工作時(shí)的接觸應(yīng)力特性ASL等利用試驗(yàn)和有限元軟件，通過(guò)建模、結(jié)構(gòu)靜力分析、優(yōu)化幾何構(gòu)型的方法優(yōu)化離心泵蝸殼結(jié)構(gòu)；周俊等采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)某型號(hào)泵體進(jìn)行了參數(shù)化模型的建立以及應(yīng)力計(jì)算和分析；黃敬賀等提出了如何提高應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試精度、減少測(cè)量誤差的方法；PENG等利用有限元分析方法，對(duì)大型離心泵做了強(qiáng)度分析方面的研究。計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力采用ALE描述方法。對(duì)泵體的強(qiáng)度分析以對(duì)減壓塔底泵外特性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用將CFX軟件與ANSYS Workbench軟件結(jié)合使用的單項(xiàng)流固耦合計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)泵體進(jìn)行強(qiáng)度分析來(lái)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性和檢驗(yàn)泵體的可靠性，預(yù)計(jì)結(jié)果為所計(jì)算的泵體最大等效應(yīng)力值小于材料2Cr13的強(qiáng)度極限值。該研究可以為泵體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。
研究的減壓塔底泵結(jié)構(gòu)如圖所示，首級(jí)為雙吸雙蝸殼，次級(jí)為單吸單蝸殼，泵體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量qV=405.6 m3/h，揚(yáng)程H=280 m，轉(zhuǎn)速n=2 960 r/min，介質(zhì)溫度θ=360℃，密度ρ=799.5 kg/m3。
采用pro/Engineer軟件對(duì)泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體造型。水體造型如圖所示，包括首級(jí)吸水室水體、首級(jí)前泵腔水體、首級(jí)葉輪水體、首級(jí)后泵腔水體、首級(jí)蝸殼水體、中間流道水體、次級(jí)吸水室水體、次級(jí)前泵腔水體、次級(jí)葉輪水體、次級(jí)后泵腔水體、次級(jí)蝸殼水體。泵體造型如圖所示。
采用ICEM-CFD軟件對(duì)高溫泵水體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。水體網(wǎng)格如圖所示，首、次級(jí)前后泵腔采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，其他部分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為3526556。泵體網(wǎng)格如圖所示，采用Workbench的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能自動(dòng)生成，網(wǎng)格數(shù)為1285182。泵體內(nèi)部全流場(chǎng)定常數(shù)值模擬控制方程由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成，忽略流體密度變化，且假設(shè)流動(dòng)中無(wú)熱量交換，不考慮能量守恒方程。
目前渦粘模型中應(yīng)用最廣泛的是雙方程模型，其最基本的模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。
泵內(nèi)部流場(chǎng)定常數(shù)值模擬中，出口設(shè)定為壓力出口，壓力值為2.1795 MPa；固體壁面取無(wú)滑移邊界條件，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定壁面粗糙度。流體和固體區(qū)域間的相互作用通過(guò)Frozen Rotor Interface進(jìn)行傳遞，網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)采CFX軟件的GGI方式。
流固耦合數(shù)值模擬中，泵體結(jié)構(gòu)的材料為2Cr13，材料特性包括密度7750 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。設(shè)置6個(gè)流固相互作用面，包括泵體與首級(jí)吸水室相接觸表面、泵體與首級(jí)蝸殼相接觸表面、泵體與中間流道相接觸表面、泵體與次級(jí)蝸殼相接觸表面、泵體與首級(jí)后泵腔相接觸表面、泵體與次級(jí)前泵腔相接觸表面。
由于篇幅原因只對(duì)設(shè)計(jì)工況下的泵體應(yīng)力云圖和總變形云圖進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)工況下泵體等效應(yīng)力分布云圖如圖所示。泵體所承受的應(yīng)力值大部分在0～120 MPa，總共有九處部位所承受應(yīng)力值在120 MPa之上：豎支撐板與中間流道的接觸部位；中心支撐板靠近豎支撐板部位；首級(jí)吸水室與首級(jí)蝸殼連接部位；中心支撐板與首級(jí)蝸殼連接部位；次級(jí)蝸殼第四斷面附近的流道；次級(jí)蝸殼第八斷面上方的流道；泵體與軸承接觸位置；中間流道靠近首級(jí)葉輪部位；泵體與軸接觸面靠近次級(jí)葉輪部位。
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