基于流固耦合的减压塔底泵泵体强度分析

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Strength Analysis of Decompression Tower Bottom PumpS Pump CasingBased on Fluid-solid CouplingKONG Fanyu CHE] Hao NG Tin SU Xianghui(1.Research Center ofFluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013；2.Tianjin Tianfa Heavy Machinery&Hydro Power Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Tianjin 300400)Abstract：Decompression tower boaom pump is the important equipmerit in oil refining equipment.The finite-element analysisbased on fluid-solid coupling is used to check pum p casingreliability.The three-dimensional models include pump casing and fluiddomains in pump are made by Pro/E ngineer.The meshes of fluid domains in pum p are made by ICEM-CFD.Th e steady flow fieldinside pump which include front pum p cavity and back pum p cavity is calculated num erically by CFX.Th e flow field and pumpcasing are singly fluid-solid coupling calculated by CFX and ANSYS Workbench.Every panel pointS coordinate，stress and totaldeformation are exported by the post processing tool of ANSYS Workbench.The pum p casingS stress distribution cloud pictures andthe pum p bodyS total deformation distribution cloud pictures in five working conditions of diferent flows are goaen.Th e maximumstress pointS location and the inaxilnurn total deformationS location in five working conditions of diferent flows are comparisonedthrough table.Th e maximum stress，the minimum stress，the max imum strain，the minimum strain and the maximum totaldeform ation are compared through table.Th e result show that the pump casingS stress distribution and strain dislribution is scarcelychanged in diferent flows.Th e maximum stress of the pump casing is less than 2Cr13S limit strength.Pump casing fit the strengthrequirement。

Key words：Pump casing Fluid-solid coupling Stress Strain Total deform ation Strength examination0 前言减压塔底泵是炼油装置中的关键设备，基于流·国家科技支撑计划(2011BAF14B03)、江苏省博士创新基金(CXZZ12-0680)和江苏高校优势学科建设工程资助项目。20120807收到初稿，20121215收到修改稿固耦合的有限元分析方法可以检验泵体的可靠性。

对泵体的强度分析包括计算泵体的应力值与泵体的总变形量。BHONE等1利用试验技术和有限元分析方法分析了离心式通风机叶轮的应力、噪声及流动状态等；GAMEZ-MONTERO等L2J利用有限元法研究了齿轮泵作为液压器械工作时的接触应力特性；2013年 1月 孔繁余等：基于流固耦合的减压塔底泵泵体强度分析 l613 控制方程3.1 流场数值模拟控制方程泵体内部全流场定常数值模拟控制方程由连续性方程和动量方程组成，忽略流体密度变化，且假设流动中无热量交换，不考虑能量守恒方程9]。

连续性方程表示如式(1)所示 o(pO ：0 (1)式中 流体密度，'，. - 速度矢量动量方程表达式如式(2)所示十 鲁p式中 ，广-.速度分量叼- 应力时间△J 在 方向上的施力3.2 流固耦合数值模拟控制方程应力公式如式(3)所示 lira ( ]式中 △ - 在f方向上的施力广 在f方向的受力面积力平衡方程为i-lt ' ) ( ] 、 j ( i-； ) 、 jEf(2) 式中， 为泊松比； 为弹性模量；G为切变模量x-： r64 湍流模型和边界条件(4)式中，O'x、O'y、 为应力分量； 、 、 、 、、 为应变分量。

几何方程为 au/ax专 aday竺a/ax )， a7 8wayavlaz aHazaw8x式中， 、 、乞为应变分量；lf、 W为速度矢量； 、 、 、 、 、 为切应变分量。

4.1 湍流模型目前涡粘模型中应用最广泛的是双方程模型，其最基本的模型是标准 8模型，选用标准 s双方程湍流模型。方程为-O(pk)Ot )针 云bc f lJ fO u，I/IOu，- ： )针 af l IJ I～C1 昙 c考-a v1/ or， 譬： 式中， 为动力黏度： 为湍动黏性系数；分别为 k方程、s方程的湍流 Prandtl数；取参数0.09、 Ct，1.44、 C 1.92。

4.2 边界条件泵内部流场定常数值模拟中，出口设定为压力出口，压力值为2.179 5 MPa；固体壁面取无滑移边界条件，近壁处采用标准壁面函数法，同时根据实际情况设定壁面粗糙度。流体和固体区域间的相互作用通过Frozen Rotor Interface进行传递，网格的关联采CFX软件的GGI方式埘。

流固耦合数值模拟中，泵体结构的材料为0 O O II 砂 砂 (； (；164 机 械 工 程 学 报 第49卷第 2期的影响考虑在内。

(7)对泵体进行瞬态动力学分析，将会成为今后进-步研究的课题。