1.一种离心泵叶轮在偏心涡动下流体激振力的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过三维建模软件creo或solidworks,对离心泵的三维流体计算域进行建模,对叶轮取多种偏心距进行装配;
(2)利用网格划分软件icem或gambit对各计算流体域分别进行网格划分,合并网格后进行网格无关性验证;
(3)将步骤(2)中得到的最佳的离心泵三维流域网格文件导入fluent软件中,设置求解模型的边界条件和初始条件,对离心泵内部流动进行计算;
(4)对计算结果进行后处理,分析离心泵的扬程、效率与内流场特性,并计算得到流体激振力同偏心率ε和叶轮角度位置θ的变化曲线;
(5)采用最小二乘法对流体激振力进行非线性拟合,得到其拟合多项式拟合函数;
(6)取一组样本外的数据代入多项式拟合函数验证,分析拟合函数的准确性和可靠性。
2.根据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(1)中,采用三维建模软件creo或solidworks,对离心泵的流体计算域进行建模,具体步骤如下:
(a)建好各水体域模型,包括进口、叶轮、间隙、蜗壳、出口;
(b)将叶轮分别以2%、4%、6%、8%、10%共5种偏心率沿出口方向偏移,进行三维模型装配。
3.根据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(2)中,通过网格划分软件icem或gambit对三维流体各个计算域分别进行网格划分,生成计算域的分块形式,合并后进行网格无关性验证,具体步骤如下:
(a)将计算流体域装配后整体导入icem中,分别保存各流域的tin文件,划分各流域的高质量网格,然后合并进口、叶轮、间隙、蜗壳、出口五个流域的网格;
(b)以预测扬程作为网格无关性的判别标准,使前后两次预测扬程相差0.15%以内。
4.根据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(3)中,将得到的最优的离心泵的三维流域网格文件导入fluent软件中,设置求解模型的边界条件和初始条件,对离心泵内部流场进行计算,具体步骤如下:
(a)将网格数量最优的网格导入fluent中,数值计算选用rngk-ε模型,采用多重参考系(mrf),叶轮、间隙设置为旋转坐标系,进口、蜗壳与出口定义为静止坐标系,各域之间交界面采用interface进行流场数据交换;
(b)将间隙水体设置为以涡动转速ω绕蜗壳基圆圆心o旋转,叶轮水体定义为相对于间隙水体以转速n绕叶轮自身中心o’旋转,n=ω-ω,其中ω为电机带动叶轮旋转的转速;蜗壳水体与进出口水体定义为静止坐标系;
(c)定义叶轮每旋转1°计算一次,分别计算各偏心率下在0.6qd、0.7qd、0.8qd、0.9qd、1.0qd、1.1qd、1.2qd、1.3qd和1.4qd共9个流量工况下的算例,其中,qd为设计流量;当流体激振力呈稳定周期性变化时停止计算。
5.根据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(3)中计算30个周期,舍掉前10个周期。
6.根据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(4)的具体步骤如下:
(a)每个偏心率下的9个流量工况都在最后一个周期内每隔30°取12点的扬程效率平均值,绘制该工况下的外特性曲线,并与实验数据分析对比,比较得出与实验数据最接近的偏心率;
(b)计算离心泵内流场的速度、压力分布,取后20个旋转周期对离心泵内压力脉动进行分析;
(c)计算后20个周期叶轮所受的径向力并导出到数据处理软件oringin,作流体激振力与偏心率ε和叶轮角度位置θ变化曲线。
7.根据权利要求6所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(5)中,对流体激振力进行近似拟合,具体步骤如下:
(a)令各坐标方向上的流体激振力f是关于偏心率ε和叶轮角度位置θ的m次方的近似多项式方程,其中κc为与bc对应的变量,c=1,2,3,…,k:
其中,b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,...,bk-m,bk-m+1,...,bk-1,bk分别为系数;
已计算得到n组f的样本值fa,a=1,2,3,...,n,表示样本数,其中n≥20k;要得到最近似的求解,则b0,b1,b2,b3,b4,b5,...,bk应使式(2)达到最小值,对式(2)进行微分可得式(3)和(4):
可化为式(5),求得多项式拟合函数各个系数b0,b1,b2,b3,b4,b5,...,bk的矩阵b:
(b)给定近似水平0.05,对所求二次多项式方程的有效性作分析。
8.据权利要求1所述的离心泵在叶轮偏心涡动下的计算方法,其特征在于:步骤(6)中,取一组样本外的数据代入多项式拟合函数验证,分析拟合函数的准确性和可靠性;具体步骤如下:取样本外的一种工况代入拟合函数,将计算数据中x、y方向的径向力fxa、fya分别与拟合数据f’xa和f’ya进行对比分析,验证非线性拟合方程的准确性。