燃油離心泵的非定常大渦模擬與試驗研究

晁文雄1，陳萬強1, 李祥陽1，徐 軒，宋姍姍，馮 濤，江學兵，李重伯

(1.西安航空學院，陜西 西安 710077；2.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

引言

在航空發(fā)動機附件中，帶誘導輪的離心泵可輸送航空燃油，為航空燃油進行增壓，是燃油航空發(fā)動機心臟，因此對帶誘導輪的高速離心泵的分析有著實際應用價值。離心泵內(nèi)部流動狀態(tài)多重因素的制約，比如葉輪轉(zhuǎn)速、進出口的邊界條件等，當高速燃油離心泵的運轉(zhuǎn)條件、進口壓力、出口流量等條件變化時，泵內(nèi)會出現(xiàn)一些額定工況所不能出現(xiàn)的現(xiàn)象，比如湍流、回流二次流、汽蝕，這些復雜的三維非定常紊亂狀態(tài)對泵的工作穩(wěn)定性、可靠性以及工作范圍等造成了破壞。航空燃油離心泵屬于高速離心泵的范疇，泵內(nèi)的流動更加混亂，分子之間的相互作用力更加強烈，依靠傳統(tǒng)的理論分析和試驗方法對其進行研究較為困難，崔寶玲等[1]基于Fluent對泵內(nèi)的流場進行三維定常數(shù)值模擬計算,同時對泵進行外特性試驗,并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比驗證，邵春[2]采用Fluent的離心泵內(nèi)非定常流動的數(shù)值模擬，黃思等[3]采用LES方法和采用多重參考系對離心泵進行研究，對離心泵內(nèi)部流場展開了大量的研究工作。國內(nèi)外研究主要集中在水泵等方面的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵領(lǐng)域，對燃油泵的中比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵多工況設(shè)計研究較少，因此，研究采用大渦模擬方法對燃油離心泵內(nèi)非定常流動進行數(shù)值模擬和試驗驗證。

1 幾何模型、網(wǎng)格劃分及計算方法

1.1 幾何模型

計算模型為帶有一級誘導輪的高速燃油離心泵，基本參數(shù)為：葉輪外徑D2=114 mm，誘導輪外徑Dy2=73 mm，出口寬度b2=10 mm，設(shè)計流量Qopt=57692 L/h，增壓級壓力增益Δp=0.5～1.2 MPa，額定轉(zhuǎn)速n=8500 r/min。模型計算區(qū)域包含進口段、閉式葉輪、誘導輪、蝸殼4部分，見圖1、圖2。

圖1 離心泵結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分、無關(guān)性

將離心泵三維流道模型導入ANSYS軟件的專用網(wǎng)格生成器MESH中進行網(wǎng)格劃分[4-5]。采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格對圖1，圖2所示的流道幾何模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。在驗證網(wǎng)格無關(guān)性的基礎(chǔ)上，兼顧計算能力與效率，表1為不同網(wǎng)格數(shù)目計算結(jié)果，表2為不同過流部件的網(wǎng)格數(shù)，比較以總網(wǎng)格單元數(shù)為500萬的模型進行數(shù)值模擬計算。

圖2 流道模型

圖3 離心泵計算域網(wǎng)格

表1 不同網(wǎng)格數(shù)計算結(jié)果

表2 不同過流部件的網(wǎng)格數(shù)

1.3 控制方程及湍流模型

航空燃油物理屬性如表3所示，帶誘導輪的離心泵內(nèi)流動主要為三維黏性不可壓縮的非定常流動，借助ANSYS-Fluent軟件，考慮質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒方程，選取湍流模型采用LES湍流模型，非定常計算采用SIMPLE算法，建立雷諾時均Navier-Stokes方程組，采用非定常計算的時間步長為Δt=0.085 ms，初步以計算為定常數(shù)值模擬的計算結(jié)果作為初始流場，觀察燃油離心泵的進口流量與出口壓力變化，當模擬過程收斂后進行非定常數(shù)值模擬，分別采用壓力進口及流量出口邊界條件，分別在不同轉(zhuǎn)速、不同流量、不同進口壓力工況下對離心泵內(nèi)部流動進行三維非定常數(shù)值模擬計算。近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)。

表3 航空燃油物理屬性表

1.4 大渦模擬的基本思想及運動方程

大渦模擬的控制方程是從連續(xù)性方程和動量方程經(jīng)空間濾波得到的采用盒式濾波函數(shù)，做過濾運算后，即得方程，是介于直接數(shù)值模擬與平均法之間的一種湍流數(shù)值模擬的方法，網(wǎng)格尺度大的湍流運動通過瞬間N-S方程計算出來，而小尺度渦對大尺度渦運動的影響通過一定的模型在針對大尺度渦的瞬時N-S方程中體現(xiàn)出現(xiàn)，從而形成LES，具有能獲得湍流場的脈動信息等優(yōu)點[6-12]。

(1)

(2)

2 仿真結(jié)果及分析

借助ANSYS-Fluent軟件采用LES方法對帶誘導輪的離心泵全三維流道做了非定常模擬，圖4為大渦模擬得到的靜壓分布，由圖中壓力分布可知，在葉輪的每個流道中，靜壓隨半徑的增大逐漸上升，葉輪進口部位存在容易發(fā)生汽蝕的低壓區(qū)域，靜壓沿葉片的徑向方向逐漸增大而且葉片上的壓力均勻變化，沿圓周方向呈現(xiàn)不完全周期性對稱分布的原因是蝸殼存在不對稱性。

圖4 4種工況下葉輪截面靜壓分布

渦量是一個描寫旋渦運動常用的物理量。通常用渦量反映渦旋的大小和方向，流體本身就是渦，燃油泵內(nèi)的流動就是由大小不同、能量各異的渦構(gòu)成。

中間截渦量分布如圖5所示，燃油在離心泵內(nèi)的渦量大小的分布規(guī)律基本一致，這說明泵內(nèi)燃油的流動規(guī)律不隨渦量的大小而改變；在整個流道內(nèi)，在葉片的進口和出口處的渦量明顯高于葉片其他部位處，且渦量隨著流量的增大而逐漸減小，這是由于小流量的高速燃油在葉輪中的自由度高于額定流量和大流量在葉輪內(nèi)，燃油與葉輪發(fā)生的撞擊時產(chǎn)生了渦，且流道截面較大的區(qū)域渦量的變化更小，緩沖平穩(wěn)。

圖5 中間截面渦量分布

3 水力特性試驗及分析

對縮比系數(shù)為1的某型燃油離心泵在開式試驗臺進行了水力特性試驗, 如圖6、圖7所示，試驗時工作介質(zhì)為航空燃油,進口燃油溫度為27 ℃。試驗臺給定的不同轉(zhuǎn)速4600～9210 r/min，入口壓力0.037～0.39 MPa 時，分別調(diào)定不同流量5000～67000 L/h進行性能試驗。

圖6 離心泵試驗回路原理圖

圖7 離心泵試驗臺

效率曲線如圖8所示，在同一轉(zhuǎn)速8500 r/min下，效率隨著流量的增加逐漸增加，在流量50000 L/h 時，出現(xiàn)效率最高點，但是在4個進口壓力下，最高點出現(xiàn)在進口壓力0.3 MPa時。進口壓力為0.1 MPa時，流量在4000 L/h處發(fā)生突變拐點，說明在進口壓力為0.1 MPa時不具備大流量狀態(tài)下的工作能力。

圖8 效率曲線圖

如圖9a～圖9c分別為3種不同轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速為4600, 8500, 9210 r/min)下的出口壓力-流量曲線。在進口壓力為0.1 MPa時曲線發(fā)生了突變，其他3個進口壓力(0.2, 0.3, 0.39)時對應的3條曲線均均勻變化，無突變點說明燃油離心泵在各個流量點運行平穩(wěn)。

從圖9可以看出，在轉(zhuǎn)速為4600 r/min時無大流量下的做功能力，這也符合離心泵在低轉(zhuǎn)速時難以建立起高壓力的特點。在發(fā)動機起動階段，燃油離心泵出口壓力小，難以滿足燃油系統(tǒng)對噴油壓力的要求，是今后攻克難點。

圖9 不同轉(zhuǎn)速條件下壓力流量曲線

如圖10a～圖10c分別對應3種不同進口壓力(0.1，0.2，0.39 MPa)、6種不同轉(zhuǎn)速下的出口壓力-流量曲線。從圖中可以看出，不同工況下, 出口壓力的變化趨勢符合離心泵的基本特征, 即改變轉(zhuǎn)速和進口壓力的大小，只會影響相同流量下出口壓力的具體值，而不會改變它們的變化規(guī)律。僅進口壓力為0.1 MPa時，大流量狀態(tài)時出口壓力隨流量有突變，而且比其他兩個進口壓力所能達到的大流量明顯小，進口壓力為0.1 MPa時最大能到50000 L/h，而在進口壓力為0.2 MPa和0.39 MPa時最大能到67000 L/h，說明隨著增壓泵進口壓力的增加，產(chǎn)品的工作能力更強，更能達到大流量狀態(tài)，出口壓力變化趨勢更為平滑。增壓泵隨著進口壓力和轉(zhuǎn)速的減小，產(chǎn)品的做功能力逐漸枯竭。

圖10 不同進口壓力時壓力流量曲線

4 結(jié)論

以高速燃油離心泵為實物泵，通過調(diào)整出口閥門的方法獲得了不同壓力值的模型。采用ANSYSY-Fluent軟件應用大渦模擬模型，進行高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對離心泵整機成功實現(xiàn)三維非定常全流場數(shù)值模擬，并進行水力試驗驗證分析，得到結(jié)論如下：

(1) 動態(tài)亞格子大渦模擬能夠很好地模擬非定常航空燃油離心泵內(nèi)流場的壓力分布情況，得到了符合實際情況的壓力特征，對于預測泵內(nèi)部流動具有較好的效果。通過對比模擬燃油離心泵不同工況下內(nèi)流場，不難發(fā)現(xiàn),隨著流量的增加,其壓力有所下降。此外,在大、小兩種流量工作狀態(tài)下,葉輪內(nèi)流場有著較為明顯的不同,局部區(qū)域存在壓力梯度較大、渦量較大的狀態(tài)；與此兩種情況相比,設(shè)計狀態(tài)下內(nèi)流場中的壓力分布比較均勻,介質(zhì)流動比較穩(wěn)定；

(2) 對燃油增壓離心泵進行了性能試驗,并對其進行分析。得到試驗值的出口壓力-流量、效率-流量特性曲線，該泵在低轉(zhuǎn)速、小流量時的變化較為明顯，存在不穩(wěn)定性。在大流量和高轉(zhuǎn)速時性能穩(wěn)定，而且在超過額定轉(zhuǎn)速的1.08倍處工作狀態(tài)良好，為后續(xù)提高該離心泵工作壓力提高依據(jù)。在額定轉(zhuǎn)速9210 r/min下工作時，流量每增加10000 L/h，出口壓力平均下降0.0351 MPa。