李嘉, 李華聰, 張偉, 王玥, 李柯柯, 王淑紅

(1.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 陜西 西安 710072;3.陜西空天動力研究院有限公司, 陜西 西安 710000; 4.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司, 陜西 西安 710077)

高壓離心泵在航空推進(jìn)系統(tǒng)中扮演著重要的角色,深入探討和研究高性能燃油離心泵的內(nèi)部流動機(jī)理很有必要[1-2]。在當(dāng)前大機(jī)動飛行、超聲速巡航的工作要求下,泵內(nèi)存在復(fù)雜流動問題[3]。另外,離心泵周而復(fù)始的運(yùn)動特點(diǎn)及其特有的離心結(jié)構(gòu),使得葉輪、蝸殼內(nèi)形成了尾跡流、勢干擾、振動、旋轉(zhuǎn)失速、湍流等極度復(fù)雜的流動狀態(tài),內(nèi)部流場具有強(qiáng)烈且復(fù)雜非定常特性[4-6]。因此,很有必要對離心泵的內(nèi)部流動特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。目前,流體機(jī)械研究體系普遍采用準(zhǔn)三維通流計(jì)算和全三維計(jì)算流體力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)相結(jié)合的方法,離心泵中也是如此[7]。然而在當(dāng)前的技術(shù)背景下,離心泵的工作環(huán)境更嚴(yán)酷、結(jié)構(gòu)更緊湊、間隙效應(yīng)更明顯,流道的非定常特性也越來越強(qiáng)烈,傳統(tǒng)的定常假設(shè)會令性能分析結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差,制約對離心泵性能潛力的挖掘。因此，有必要逐步將流動的非定常特性納入到泵常規(guī)設(shè)計(jì)體系中[8-10]。因此,越來越多的科研人員對離心泵的非定常特性開展了研究。

對離心泵內(nèi)部的非定常流動開展了大量的研究,主要包括理論分析、數(shù)值研究以及試驗(yàn)測量3種手段,其中,對泵的壓力脈動及非定常流動結(jié)構(gòu)等研究取得了一定的成果。針對壓力脈動的研究,Zheng等[11]通過數(shù)值仿真分析了離心泵間隙內(nèi)的壓力脈動變化,表明了間隙內(nèi)壓力脈動的主頻與葉頻相關(guān)。周強(qiáng)等[12]深入探索了導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)的靜干涉作用機(jī)理,采集了相鄰兩導(dǎo)葉流道進(jìn)口處壓力脈動信號,得到導(dǎo)葉流道進(jìn)口處壓力脈動主要為葉頻,并以此形式沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向向下傳播。裴奕凡[13]對離心泵實(shí)際運(yùn)行中的彎管畸變?nèi)肓鲉栴}進(jìn)行了分析,對泵在不同入流條件下的壓力脈動進(jìn)行了監(jiān)測,得到了最優(yōu)的彎管結(jié)構(gòu)。可見,由于離心泵的周期性變化,葉輪和蝸殼內(nèi)均產(chǎn)生了一定的壓力脈動,且不同位置的脈動頻率、脈動強(qiáng)度符合一定的規(guī)律。袁建平等[14]對離心泵在小流量時的進(jìn)口回流進(jìn)行了仿真分析,表明了葉輪進(jìn)口的流動狀態(tài)可以分為螺旋狀回流、螺旋狀入流和軸向入流,且螺旋狀回流的流動相比于軸線區(qū)域的軸向入流更加不穩(wěn)定。敏政等[15]基于DDES湍流模型和渦動力學(xué)對離心泵多工況下的旋渦運(yùn)動進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬,清晰地觀測到了葉輪和蝸殼內(nèi)的小尺度漩渦。楊紅紅[16]對離心泵進(jìn)行了全工況的數(shù)值模擬,分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速問題的影響。

總的來看,離心泵內(nèi)非定常特性呈現(xiàn)的非常明顯,壓力脈動變化、非定常流動結(jié)構(gòu)等均與泵的性能存在著一定的聯(lián)系。因此,借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及高精度的仿真技術(shù),對高壓燃油離心泵的壓力脈動變化、非定常流動結(jié)構(gòu)開展細(xì)致的分析研究。

1 研究對象

以某型高壓燃油離心泵為對象進(jìn)行非定常特性的研究。該型離心泵可作為航空發(fā)動機(jī)的主燃油泵,主要過流部件包括:進(jìn)口裝置、葉輪和蝸殼。在Cfturbo環(huán)境中,進(jìn)行葉輪和蝸殼的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),并建立三維模型,圖1為該型泵葉輪及整泵的三維模型。

圖1 離心泵三維模型

2 試驗(yàn)設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)高壓燃油離心泵非定常特性的高精度仿真,進(jìn)行該型泵的樣機(jī)試制及性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時,分別對泵進(jìn)口、出口壓力進(jìn)行測量,用來計(jì)算泵的揚(yáng)程。同時,對泵的進(jìn)口處流量進(jìn)行測量,用來計(jì)算泵的水力效率。通過試驗(yàn)獲取2個外特性性能參數(shù),與仿真預(yù)測結(jié)果對比,一方面驗(yàn)證仿真方法的有效性,另一方面檢驗(yàn)泵的性能是否符合要求。

試驗(yàn)中的部分儀器及用途如下:溢流閥用來限定泵進(jìn)口壓力;比例流量閥用來控制泵的進(jìn)口流量；壓力變送器和體積流量計(jì)分別用來測量泵的出口壓力和輸出流量。

3 非定常仿真設(shè)置

3.1 網(wǎng)格劃分

對該型離心泵的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了提高計(jì)算精度和計(jì)算速度,分別對4種網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格模型進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn),結(jié)果如表1所示。可以看出,當(dāng)網(wǎng)格由Grid-2變至Grid-3時,揚(yáng)程和效率誤差小于1%。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時間,最終選用Grid-2為該型泵的計(jì)算網(wǎng)格，所建立的網(wǎng)格模型如圖2所示。

表1 網(wǎng)格數(shù)量獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 離心泵網(wǎng)格模型

3.2 仿真條件

將建立的網(wǎng)格模型導(dǎo)入PumpLinx，采用有限體積法(FVM)完成對湍流模型三維控制方程的求解。在多重旋轉(zhuǎn)參考系下(蝸殼為靜態(tài)、葉輪為旋轉(zhuǎn)系),選擇RNGk-ε和SIMPLE算法進(jìn)行該型離心泵的湍流模型求解。采用二階迎風(fēng)格式對控制方程進(jìn)行離散,設(shè)置平均殘差值精度為0.000 01。葉片表面相對速度為0,以滿足動靜固壁面為無滑移邊界,同時將近壁面區(qū)域設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。在葉輪與蝸殼的交互耦合面上,剪切應(yīng)力相等。

由于進(jìn)行離心泵瞬態(tài)計(jì)算的時間較長,為了提高仿真精度和求解效率,需要確定最佳的時間步長(即采樣頻率),因此,進(jìn)行時間步長的獨(dú)立性檢驗(yàn),以確定合適的采樣頻率。以離心泵實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)5圈為總仿真時間,泵轉(zhuǎn)速n=28 000 r/min工況為條件進(jìn)行分析。取每個時間步長中葉輪分別旋轉(zhuǎn)9°,5°和3°進(jìn)行仿真,時間步數(shù)分別為200,360和600步,采樣頻率分別為18 666,33 600和55 999 Hz。仿真時,以穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,以泵的出口壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)為目標(biāo)進(jìn)行3種時間步長下仿真結(jié)果的對比。另外,旋轉(zhuǎn)3圈后仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定,因此,選取第3圈的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

當(dāng)單步旋轉(zhuǎn)3°(55 999 Hz)時,主頻更接近葉頻,對計(jì)算時間和精度折中考慮,選擇該條件為最終仿真時間步長。圖3為3°(55 999 Hz)下出口壓力脈動的頻域分析結(jié)果。

圖3 3°(55 999 Hz)出口壓力脈動頻域分析結(jié)果

3.3 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

為了更好地反映離心泵內(nèi)關(guān)鍵部位的非定常流動特性,對泵內(nèi)的不同位置進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖如圖4所示。其中,主要對葉輪及蝸殼流道進(jìn)行監(jiān)測。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖

4 結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行性能試驗(yàn)并記錄進(jìn)口壓力pin、出口壓力pout及實(shí)際輸出流量Q,與預(yù)測泵的揚(yáng)程H和效率η,進(jìn)而將試驗(yàn)結(jié)果和仿真預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比。值得注意的是,非定常仿真結(jié)果均呈現(xiàn)一定的波動,因此,出口壓力、實(shí)際流量等均取泵運(yùn)行第5圈的計(jì)算結(jié)果。

對仿真與試驗(yàn)性能結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)整個運(yùn)行工況下仿真與試驗(yàn)結(jié)果趨勢相似。其中,中間流量工況0.7Qd運(yùn)行時,揚(yáng)程和效率的誤差最大(3.6%,4.8%),但均小于5%,符合精度要求。因此,所采用的基于PumpLinx環(huán)境下的非定常仿真方法能夠完成該型高壓燃油離心泵的流場仿真分析。

4.2 壓力脈動分析

4.2.1 壓力脈動時頻特性計(jì)算

為了對高壓燃油離心泵非定常流動特性進(jìn)行定量分析,對泵的壓力脈動進(jìn)行時域和頻域分析。

首先,提取離心泵不同位置的壓力信號,引入無量綱參數(shù)壓力脈動系數(shù)cp,直觀地反映壓力脈動幅值的大小,進(jìn)行不同位置壓力脈動大小的對比。進(jìn)而,基于快速傅里葉變化FFT(fast Fourier transform),完成壓力及壓力脈動系數(shù)的時頻轉(zhuǎn)換,分析其時頻特性。

4.2.2 仿真結(jié)果

分析葉輪流道內(nèi)壓力脈動時頻特性。圖5為監(jiān)測點(diǎn)徑向排列下壓力及壓力脈動系數(shù)時頻域結(jié)果。從葉輪進(jìn)口往外壓力變化趨勢基本一致,壓力幅值從葉輪進(jìn)口至葉輪出口變大,靠近葉輪出口范圍的監(jiān)測點(diǎn)壓力幅值和壓力脈動系數(shù)最大,分別為11.40 MPa,0.114。同時,單個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力呈現(xiàn)8個波峰及8個波谷。5個監(jiān)測點(diǎn)上的壓力脈動主頻均為468.617 8 Hz,主頻均對應(yīng)泵的轉(zhuǎn)頻fn。

圖5 徑向排列下壓力及壓力脈動系數(shù)時頻域結(jié)果

對蝸殼流道內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動時頻特性分析。圖6為蝸殼內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力及壓力脈動系數(shù)時頻域結(jié)果?？紤]篇幅,以其中9個點(diǎn)為例進(jìn)行分析。圖中,蝸殼流道這一區(qū)域所有監(jiān)測點(diǎn)的時頻域變化基本趨勢一致。不同監(jiān)測點(diǎn)上的壓力脈動主頻均為3 748.942 7 Hz,主頻為8倍的轉(zhuǎn)頻(8fn),即葉頻fb。

圖6 蝸殼流道壓力及壓力脈動系數(shù)時頻域結(jié)果

4.3 典型非定常流動結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

為了更好地呈現(xiàn)該型高壓燃油離心泵的非定常特性,對不同流量工況下的非定常流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,包括:壓力分布、相對速度以及湍動能耗散。

4.3.1 壓力分布

圖7為轉(zhuǎn)速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的壓力等值線分布。

圖7 軸向中間截面壓力等值線分布

當(dāng)流量增加時,葉輪進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)慢慢變大,且尤其在蝸殼隔舌旁的葉輪處變化最為劇烈。在大流量工況(1.2Qd)下,該通道內(nèi)由于葉尖處的低壓區(qū)明顯,導(dǎo)致進(jìn)口區(qū)域的壓力梯度變大,此處易產(chǎn)生葉片進(jìn)口回流。同時,隨著流量增加,輔助葉片葉尖處的低壓區(qū)慢慢形成,但不明顯。蝸殼內(nèi),小流量工況下蝸殼和擴(kuò)散管內(nèi)壓力更高。大流量工況時蝸殼的梯度緩慢,壓力增加的較為平穩(wěn)。

4.3.2 相對速度

圖8為轉(zhuǎn)速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的相對速度等值線分布。

圖8 軸向中間截面相對速度等值線分布

葉輪各個流道內(nèi)的相對速度分布都不相同,呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的非軸對稱性。且非設(shè)計(jì)工況下,這種流動非軸對稱性比設(shè)計(jì)工況下更為強(qiáng)烈。在小流量工況(0.5Qd)時,靠近蝸殼出口和隔舌區(qū)域的葉輪通道內(nèi)出現(xiàn)大范圍的高速區(qū),特別是沿著旋轉(zhuǎn)方向離隔舌區(qū)域較近的3個通道內(nèi)葉輪出口區(qū)域被高速流所控制。

4.3.3 湍動能

以泵內(nèi)的湍動能分布來觀察其流動的穩(wěn)定程度,通過能量梯度理論分析泵內(nèi)流動的不穩(wěn)定性。圖9為轉(zhuǎn)速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的湍動能等值線分布。不同流量工況下,泵的湍動能分布整體趨勢基本一致,葉輪內(nèi)部的湍動能梯度區(qū)域主要集中在葉輪出口區(qū)域和隔舌角區(qū)域,尤其是小流量工況時,湍動能分布范圍較大且強(qiáng)度更為強(qiáng)烈,且葉輪出口區(qū)域的湍動能分布更為強(qiáng)烈,這與葉輪出口的“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)具有很好的一致性。同時,在葉輪進(jìn)口尤其是葉尖處均出現(xiàn)了一定的湍動能集中區(qū),但分布范圍不是很大,與葉片葉尖處的“回流”結(jié)構(gòu)具有很好的一致性。此外,在大流量工況下,擴(kuò)散管內(nèi)出現(xiàn)了較大范圍的湍動能集中區(qū)。

圖9 軸向中間截面湍動能等值線分布

5 結(jié) 論

以某型高壓燃油離心泵為對象,基于CFD仿真技術(shù)對其非定常特性進(jìn)行了仿真分析研究,主要分析了全流量工況下不同位置的壓力脈動及非定常流動結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下:

1) 在不同流量工況下進(jìn)行了性能仿真預(yù)測及試驗(yàn)結(jié)果的對比分析,揚(yáng)程和效率的最大誤差分別為3.6%,4.8%,均小于5%,所采用的仿真方法能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計(jì)的復(fù)合葉輪式燃油離心泵的性能仿真研究。

2) 設(shè)計(jì)流量工況下葉輪流道內(nèi)主頻為轉(zhuǎn)頻fn,蝸殼流道內(nèi)主頻為葉頻fb,不同的監(jiān)測點(diǎn)均呈現(xiàn)出相似的脈動變化規(guī)律,且相同位置不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動呈現(xiàn)出了相似規(guī)律。

3) 設(shè)計(jì)流量工況下泵內(nèi)流動相對平穩(wěn)。小流量工況下葉輪出口處出現(xiàn)了一定的尾跡流動,主要位于靠近隔舌區(qū)域的葉輪流道出口位置。同時,與壓力、相對速度分布一致,湍動能分布同樣在集中在葉輪出口及隔舌區(qū)域,此處存在一定的水力損失。