基于流熱固多物理場耦合的磁力泵關鍵零部件結構分析

秦娟娟 楊小波 王棟梁

摘要：磁力泵冷卻工作介質的壓力以及渦流熱產生的溫度影響關鍵零部件的應力和應變的分布，利用AnsysWorkbench有限元方法對關鍵零部件進行流熱固耦合數(shù)值計算分析。計算分析可得：不同溫度下關鍵零部件的最大等效應力值和變形量不同，隨著溫度的升高而線性增大;等效應力值較高的發(fā)生部位為隔離套筒壁與隔離套法蘭的連接處及內磁轉子與泵軸連接面處;應變量較大的發(fā)生部位為靠近內磁轉子的隔離套筒壁處;盡量保證冷卻工作介質的冷卻溫度在45℃以下。

Abstract： The pressure of the cooling working medium and the temperature affect the stress and strain distribution of the key parts and analyzed by ansysworkbench finite element method. Computing and analysis： the maximum equivalent force and deformation of key components at different temperatures increase linearly; the connection between the isolation sleeve wall and the isolation sleeve flange and the connection surface of the inner magnetic rotor and the pump shaft; the occurrence is near the inner magnetic rotor; the cooling temperature of the cooling working medium is below 45℃.

關鍵詞：磁力驅動泵;關鍵零部件;流熱固耦合;結構分析;應力應變

Key words： magnetic drive pump;key components;flow heat and solid coupling;structural analysis;stress strain

中圖分類號：TH35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0033-03

0? 引言

磁力驅動泵是一種無密封、零泄漏的泵。其關鍵零部件包括隔離套、泵軸、內磁轉子及外磁轉子組成利用永磁傳動技術，當隔離套外部的外磁轉子被電動機帶動旋轉時，通過磁力帶動隔離套內部的內磁轉子轉動，進而帶動泵軸轉動工作。隔離套處在內、外磁轉子交變的磁場中，在隔離套的內壁上產生渦流熱[1]。在關鍵零部件內部設置冷卻流道以使工作介質在隔離套內部流動時冷卻渦流熱。在進入隔離套內的工作介質流量確定的情況下，冷卻流道的壓力值分布基本是穩(wěn)定的，但渦流熱隨著工況時間的長短而變化，故隔離套的結構受渦流熱和壓力的共同作用。但流場和溫度場作用下對關鍵零部件結構的影響在磁力泵工作狀態(tài)是無法考量的，在流場和溫度場變化下研究其結構影響機理具有重要的意義。

ZhenJun Gao等[2]利用CFX軟件對磁驅動泵進行了全流場數(shù)值研究，得到了冷卻循環(huán)通道的壓力脈動特性和泵的外部特性曲線。Fanyu KONG等[3]采用FLUENT對不同轉速的磁驅動泵的內部流場進行了模擬，在分析速度和壓力的基礎上，計算并討論了不同轉速的磁驅動泵功率損失的不同原因。高振軍等[5]對磁力驅動離心泵內的熱量交換及溫度分布規(guī)律進行研究，分析了冷卻循環(huán)流道內溫度，對流換熱系數(shù)以及壓力溫度曲線的變化規(guī)律。但學者們對于磁力驅動泵的流熱固耦合問題研究還較少。隔離套的筒壁薄，工作介質的壓力和渦流熱產生的溫度對隔離套的筒壁的影響是不可忽視的。故以模型磁力驅動泵關鍵零部件為研究對象，采用流熱固物理場耦合方法對冷卻流道流場和熱場對磁力驅動泵結構進行研究，分析流熱物理場共同作用下零部件的結構變化情況，以期對磁力泵的結構設計提供理論指導。

1? 流熱固耦合計算模型的建立

80CQ-50型磁力驅動泵的結構圖如圖1所示， 本文主要分析工作介質進入關鍵零部件內部流動對渦流熱進行冷卻時，工作介質產生的流場及渦流熱產生的溫度場共同作用下對關鍵零部件結構的影響。根據(jù)圖1所示關鍵零部件中每個零部件的實際結構尺寸，利用SolidWorks軟件建立磁力驅動泵關鍵零部件模型，如圖2（a）所示。在AnsysWorkbench軟件中填充得到等比例流體模型，忽略泵軸軸系上的軸承及固定件，得到流熱固耦合簡化模型，整個結構是對稱的，取模型的一半為計算模型，流熱固耦合簡化計算模型如圖2（b）所示。

2? 流熱固耦合場仿真計算分析

2.1 磁力驅動泵參數(shù)設計

選用80CQ-50型磁力驅動泵，隔離套筒壁采用不銹鋼304，隔離套筒壁壁厚1.2mm，隔離套內壁與內磁轉子外壁工作間隙2.6mm，其他參數(shù)見表1。

2.2 網(wǎng)格的劃分

在Ansys軟件中對流體區(qū)域網(wǎng)格劃分，流體區(qū)域采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格劃分，用尺寸函數(shù)過渡，流體區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3（b）所示。在AnsysWorkbench的Static Structural結構分析模塊中，抑制幾何模型中的流體區(qū)域，對固體區(qū)域隔離套采用四面體網(wǎng)格，內磁轉子和泵軸采用六面體網(wǎng)格，固體區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3（a）所示。

2.3 耦合場數(shù)值計算邊界條件

流場數(shù)值計算時，取入口邊界條件為速度進口，水力直徑為4mm。出口邊界條件為壓力出口，且抑制回流，水力直徑為5mm。壁面無滑移，采用標準k-ε湍流模型，收斂精度為10-5。具體仿真參數(shù)設置值見表2。

以隔離套和泵蓋的連接結合面作為固定支點[5]，隔離套的內壁面作為流固耦合交界面FSI。在AnsysWorkbench中的Fluent流場分析模塊中計算隔離套內部工作介質流動時的壓力分布值，計算所得的與隔離套內壁面接觸流體層的壓力分布值作為載荷加載到隔離套的內壁面上，如圖4所示。本文分析在工作介質壓力作用下，當渦流熱產生的溫度為45℃、50℃、55℃、60℃及65℃下磁力泵關鍵零部件的應力應變情況及變形情況。

2.4 流熱固耦合場數(shù)值計算結果及分析

從圖5～圖8可知，當工作介質進入隔離套內部流量一定的情況下，不同溫度下關鍵零部件的最大等效應力值和變形量是不同的，其都隨著溫度的升高而增大。工作介質在隔離套內部流動時，帶走渦流熱所產生的溫度，在隔離套底部的工作介質與內磁轉子的接觸面處等效應力值和應變量較大。等效應力值較高的發(fā)生部位有3處，分別對應在隔離套筒壁與隔離套法蘭的連接處、內磁轉子靠近與泵軸連接面處以及隔離套底部工作介質與內磁轉子的接觸面處。而變形量較大的發(fā)生部位為靠近內磁轉子的隔離套筒壁處、內磁轉子的軸向兩端面處。

渦流熱產生的溫度45℃以下時，最大等效應力為582.2MPa，隔離套筒壁最大應變量為0.0029mm。應力應變隨著溫度的升高而線性的增大，如圖4所示到圖7所示。當渦流熱的溫度達到65℃時，最大等效應力為918.9MPa，隔離套筒壁最大應變量為0.0046mm。

3? 結論

①在隔離套內部工作介質流場壓力一定的情況下，不同溫度下關鍵零部件的最大等效應力值和變形量不同，其都隨著溫度的升高而線性增大。②應變量較大的發(fā)生部位為靠近內磁轉子的隔離套筒壁處、內磁轉子的軸向兩端面處。③等效應力值較高的發(fā)生部位為隔離套筒壁與隔離套法蘭的連接處、內磁轉子與泵軸連接面處以及靠近隔離套底部的內磁轉子端面處。④渦流熱產生的溫度45℃以下時，最大等效應力為582.2MPa，隔離套筒壁最大變形量為0.0029mm，為磁力泵冷卻工作介質的溫度要求提供理論指導依據(jù)。

參考文獻：

[1]劉凱.磁力泵傳動特性測試方法研究[D].浙江大學，2020.

[2]Zhenjun Gao，Chaoqun Hu，Jianrui Liu，F(xiàn)eng Hong.The study on pressure pulsation of cooling circulating channel of magnetic drive pump[J].Journal of Vibroengineering，Volume 21， Issue 5. 2019. PP 1456-1471.

[3]辛露，吳春華.徑向磁力軸承溫度場分析與計算[J].機械制造，2011，49（562）：18-21.

[4]宋學官.流固耦合分析與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2012：3.

[5]Qi ZHANG，Mei-shuang HE.Flow field analysis and structure optimization of high-pressure rotary joint based on unidirectional fluid-solid coupling[J]. MACHINE TOOL & HYDRAULICS，2020，48（24）：118-124.