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原文传递基于流固耦合的典型机械部件多场耦合数值模拟分析

论文题名：	基于流固耦合的典型机械部件多场耦合数值模拟分析
关键词：	离心式吸砂泵;分动器;流固耦合;叶片转速;数值模拟
摘要：	机械在人类生产生活着起着越来越多的作用，而流固耦合从被发现到现在，在很多领域起着越来越重要的作用,它是主要研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响的交互作用的一门学科。例如航空和航天工程中，飞机的气动弹性振动问题、超音速飞行外壳风阻问题和含液容器的晃动问题；水利设施以及海洋工程结构水弹性振动问题；地下储层（油、气、水、煤）多孔介质渗透；斜拉索桥梁的抗风振动问题。如何使处在复杂环境下机械部件平稳、安全和高效地运行和流固耦合理论解决复杂耦合问题的能力相结合，使得越来越多的科学家和工程师投入到这方面的研究中去。　　本文运用流固耦合原理来分析典型旋转和传动机械部件工作过程中的性能问题：　　1、不同工况下离心式吸砂泵内部流场的运行情况以及耦合作用对自定义位置压力脉动作用。　　2、不同注油量和转速工况下分动器油液搅动情况分析。　　文章在计算流体力学、有限体积学和单向双向耦合原理的理论基础上，建立了机械部件的内流体计算模型，基于CFX的多相流模型、湍流模型和小变形动网格技术以及ICEM动网格脚本文件技术，对机械部件内流场进行数值模拟分析，通过计算结果后处理得到的三维流场的速度场和压力场分布，反映固液两相、气液两相下的内流体运动以及各种参数影响。通过数值分析，为机械产品的设计提供理论依据，大大缩短设计周期、降低设计成本、改善及提高机械装置的性能、对使用过程中可能出现的问题做出预测。　　本文所分析的机械部件均为企业所提供，运用CFD（Computational Fluid Dynamics）的方法分析其内流场状态。本文做了如下研究：　　1、利用UG软件和三维逆向的方法对分析对象—离心式吸砂泵和分动器进行建模，为了降低计算成本和分析问题需要，对这两种机械部件部分进行了可行范围内的简化，然后进行网格划分，再导入到CFX Pre前处理中设置边界条件和初值条件，选择和设置相应的多相流模型、计算湍流模型RNG k-ε和动网格，对部件内部两相流流场进行仿真分析。比较真实地反映了瞬态下固液和气液两相的速度矢量、压力势分布及变化情况。　　2、针对典型旋转部件离心式吸砂泵，通过在国家水泵实验中心完成水泵清水相工况的实验，得到离心式吸砂泵的外特性曲线，与仿真的外特性曲线误差不超过3.1％，该实验有效地保证了仿真实验对象的准确性；然后采用不同粒径和不同转速工况，对离心式吸砂泵速度场分析，得到单双向耦合分析下叶轮上叶轮速度矢量分布。在叶轮上自定义某点，分别得到高于工作转速和低于工作转速下的叶片径向力分布，得到该点的变化规律。有如下结论：单双向耦合并没有改变整体流场趋势，在局部位置上，叶轮变形以及对称性结构的破坏，对于叶轮流场区域产生不同程度的影响，随着时间和空间上的积累，形成涡旋，甚至产生气蚀危害水泵地安全运行。　　3、针对典型传动部件分动器，数值模拟出分动器内部流场运动状态，然后齿轮选择在某一工况转速下匀速转动，注入不同体积量的润滑油液油即高于、低于XY基准平面49.35mm和XY平面进行数值模拟分析，得出结论。即过低和过高注油量都会导致搅油润滑效率的下降，或者搅油损失的提高。而且斜齿轮的位置高于双曲面齿轮位置，但是润滑效果普遍优于双曲面齿轮。而选择某一固定油液面高度，选择不同转速工况，低转速工况下油液搅动不易趋于稳定状态；过高转速工况下油液搅动量增加，被搅动飞溅到壁面油量增多，双曲面齿轮的啮合区域的搅油损失减少，但是斜齿轮啮合区域伴随固液相耦合作用和气液相耦合作用，损失增多。
作者：	田俊良
专业：	车辆工程
导师：	郑泉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	安徽农业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文