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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＝陙恚S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部流場進行數(shù)值模擬，分析了泵裝置內部速度場的分布，通過將數(shù)值模擬計算結果與模型試驗的數(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輪在各種工況下的應力特性進行計算，結果表明大部分工況下轉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。
由于燈泡貫流泵結構比較復雜，利用ANSYS ICEM軟件對流體區(qū)域進行非結構網格劃分，并對葉輪和導葉區(qū)域進行網格加密，通過對不同網格數(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及旋轉流動情況。
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的壁面(輪轂、葉片的壓力面和吸力面)均設為運動壁面，轉動速度與葉輪旋轉的速度一致。
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