Application of fluid-structure interaction simulations in the optimisation cycle of centrifugal pump impellers

Abstract

The integration of fluid-structure interaction (FSI) simulations into the design cycle of centrifugal pump impellers is an important part of this methodology, ensuring the safe conduct of bench tests. This study evaluates the behaviour of the CH 100/32-11-1 pump impeller using a combined numerical workflow involving ANSYS CFX and Mechanical. After a thorough analysis of mesh convergence, the hydraulic loads obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) data were transferred to the structural domain for quantitative assessment of equivalent stresses and strains. The analysis shows that the maximum equivalent stress for the optimised geometry is 24.45 MPa, which is within the tensile strength limit of PA12, confirming the feasibility of manufacturing a functional prototype using a Selective Laser Sintering (SLS). A comparative assessment with respect to the CH 6.3/20-1.1-2 and CH 100/125-75-5 models shows a non-linear scaling of structural loads, with the latter demonstrating critical failure stresses (51.7 MPa) exceeding the material's strength limits. The results confirm that the Fluid-Structure Interaction (FSI) numerical model is an important filter in the preparation stage for prototyping turbomachinery components using additive technologies.

Integrarea simulărilor de interacțiune fluid-structură (FSI) în ciclul de proiectare al rotoarelor pompelor centrifuge este o parte importantă a acestei metodologii, asigurând efectuarea în siguranță a testelor pe banc de încercare. Acest studiu evaluează comportamentul rotorului pompei CH 100/32-11-1 utilizând un flux de lucru numeric combinat care implică ANSYS CFX și Mechanical. După o analiză amănunțită a convergenței plasei, încărcările hidraulice obținute din datele de Dinamică Computațională a Fluidelor (CFD) au fost transferate în domeniul structural pentru evaluarea cantitativă a tensiunilor și deformărilor echivalente. Analiza arată că tensiunea echivalentă maximă pentru geometria optimizată este de 24,45 MPa, ceea ce se încadrează în limita de rezistență la tracțiune a PA12, confirmând fezabilitatea fabricării unui prototip funcțional utilizând sinterizarea selectivă cu laser (SLS). O evaluare comparativă în raport cu modelele CH 6.3/20-1.1-2 și CH 100/125-75-5 arată o scalare neliniară a încărcărilor structurale, acesta din urmă demonstrând tensiuni critice de rupere (51,7 MPa) care depășesc limitele de rezistență ale materialului. Rezultatele confirmă faptul că modelul numeric de interacțiune fluid-structură (FSI) este un filtru important în etapa de pregătire pentru prototiparea componentelor turbomașinilor folosind tehnologii aditive.