活塞往復(fù)泵內(nèi)流場非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

黃啟龍，李進(jìn)賢，鄭 亞，楊孟夏

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安710072)

空間推進(jìn)系統(tǒng)常采用擠壓式輸送方式，推力室壓強(qiáng)通常在1 MPa左右，導(dǎo)致推進(jìn)劑比沖較低。而小尺寸離心泵的黏性損失會降低泵的效率［1］。目前的一個(gè)解決方案是用小型的活塞往復(fù)泵對推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送。美國LLNL實(shí)驗(yàn)室研制的活塞往復(fù)泵質(zhì)量為300 g，輸出壓力可達(dá)6 MPa［2－4］。往復(fù)泵在石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛。將往復(fù)泵用在空間推進(jìn)系統(tǒng)中代替擠壓式系統(tǒng)可以改善整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

本文基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對往復(fù)泵液缸和單向閥閥腔內(nèi)流體輸送過程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真，得到了往復(fù)泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)、壓強(qiáng)變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)參數(shù)對往復(fù)泵平均流量的影響。

1 幾何模型與工作原理

圖1是活塞往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)示意圖，雙缸呈對稱結(jié)構(gòu)，主要由液缸、汽缸、活塞及閥門組件等構(gòu)成。

圖1 雙缸往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖

推進(jìn)劑在貯箱的箱壓作用下流經(jīng)往復(fù)泵，經(jīng)過往復(fù)泵增壓后輸送至推力室，由少量推進(jìn)劑產(chǎn)生的熱燃?xì)庾⑷胪鶑?fù)泵汽缸，實(shí)現(xiàn)對活塞的驅(qū)動(dòng)?；钊麛D壓推進(jìn)劑使泵出口單向閥打開，同時(shí)入口單向閥關(guān)閉，防止推進(jìn)劑倒流?；钊党虝r(shí)由流進(jìn)液缸的推進(jìn)劑做功推動(dòng)活塞使燃?xì)馀懦觥ｋp活塞交替運(yùn)動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量恒定。

2 往復(fù)泵內(nèi)流場數(shù)值仿真

2.1 計(jì)算模型

選雙缸往復(fù)泵單側(cè)二維流場進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。流場計(jì)算區(qū)域如圖2所示，其中:d為活塞直徑;s為活塞行程。運(yùn)動(dòng)邊界包括活塞壁面和單向閥閥體。假設(shè)活塞運(yùn)動(dòng)過程中前半程勻加速，后半程勻減速，閥芯勻速開啟與閉合。使用UDF文件同時(shí)控制活塞壁面與閥芯的運(yùn)動(dòng)。

圖2 往復(fù)泵內(nèi)流場

采用Fluent軟件的二維單精度非穩(wěn)態(tài)求解器以及分離式SIMPLE算法計(jì)算，離散方程選用二階迎風(fēng)格式。

2.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)流體為不可壓縮流動(dòng)，忽略重力影響，且泵內(nèi)為非定常流動(dòng)。流體在往復(fù)泵內(nèi)部二維流動(dòng)的控制方程為:

式中:ρ為流體密度;ux、uy分別為流體沿x軸、y軸方向的速度分量;p為流體壓強(qiáng);μ為動(dòng)力黏度。

2.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)泵內(nèi)流場特點(diǎn)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方式，如圖3所示。因?yàn)橐焊琢鲌鲂螤钜?guī)則，且活塞移動(dòng)方向垂直于邊界，所以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有利于網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)更新。而在單向閥閥芯運(yùn)動(dòng)區(qū)域，由于流場形狀不規(guī)則，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

動(dòng)網(wǎng)格更新方法采用動(dòng)態(tài)層法和局部重劃法。液缸內(nèi)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由動(dòng)態(tài)層技術(shù)更新。單向閥閥區(qū)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格采用局部重劃法更新。與動(dòng)態(tài)層法不同的是該方法將與運(yùn)動(dòng)邊界相連的網(wǎng)格重新劃分，而不是簡單地增加網(wǎng)格層［5］。

圖3 往復(fù)泵網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

1)出口邊界條件。

往復(fù)泵出口聯(lián)通工作負(fù)載，其出口為壓力邊界條件(Pressure-oulet)，取出口負(fù)載為5 MPa。

2)流體性質(zhì)。

選取肼作為流體，密度ρ=1 013.1 kg/m3，動(dòng)力黏度μ=1.044 0×10－3Pa·s。

3)壁面邊界條件。

液缸壁面設(shè)置為變形(deforming)，活塞壁面與單向閥閥芯設(shè)置為剛性體(rigid body)。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 往復(fù)泵內(nèi)壓強(qiáng)建立過程

對往復(fù)泵活塞直徑3～6 cm、行程1.5～3 cm、運(yùn)動(dòng)頻率為8、10、12 Hz的組合工況進(jìn)行模擬。圖4給出的是活塞及單向閥運(yùn)動(dòng)過程中流場不同時(shí)刻的壓強(qiáng)等值線。往復(fù)泵活塞從右極限位置到左極限位置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為50 ms(活塞運(yùn)動(dòng)頻率10 Hz)。可以看出0～25 ms時(shí)刻活塞壁面向左做勻加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)單向閥開啟，泵內(nèi)壓強(qiáng)升高，泵出口壓強(qiáng)較為平穩(wěn)，單向閥兩端壓差在逐漸增大。這是由于活塞的勻加速運(yùn)動(dòng)使流速增加，相比閥芯的運(yùn)動(dòng)速度及閥門開度，質(zhì)量流量依然呈增大趨勢，導(dǎo)致閥兩端的壓差也在增大。從25～50 ms時(shí)刻活塞壁面向左做勻減速運(yùn)動(dòng)，單向閥關(guān)閉，泵內(nèi)壓強(qiáng)逐漸降低，單向閥兩端壓差逐漸減小。47.5 ms時(shí)活塞接近左極限位置，運(yùn)動(dòng)速度已大幅降低，泵出口回流顯著增加。這說明單向閥作用明顯，在活塞停止運(yùn)動(dòng)時(shí)單向閥關(guān)閉，有效阻止了回流。

圖4 內(nèi)流場壓強(qiáng)等值線

圖5給出的是活塞在8、10和12 Hz運(yùn)動(dòng)頻率下，泵內(nèi)的壓強(qiáng)建立過程。由圖5可見:當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，頻率越高增壓過程越迅速，所能達(dá)到的極限壓強(qiáng)也有所增大。而往復(fù)泵的壓強(qiáng)變化過程整體呈階躍式變化，如果要實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)劑的恒定增壓，就需要雙缸甚至多缸的配置，讓往復(fù)泵活塞交替運(yùn)動(dòng)。

圖5 不同頻率時(shí)泵內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化

3.2 雙缸往復(fù)泵壓強(qiáng)特性

當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，只有往復(fù)泵壓強(qiáng)的平穩(wěn)輸出才能保證下游推力室的推力不會產(chǎn)生波動(dòng)。往復(fù)泵的脈動(dòng)式工作特點(diǎn)，使其工作頻率對壓強(qiáng)輸出的影響較為顯著。圖6～8為雙缸往復(fù)泵不同工作頻率時(shí)的壓強(qiáng)輸出特性。如圖所示，往復(fù)泵工作頻率較低時(shí)，其壓強(qiáng)輸出較為平穩(wěn)。由于此時(shí)往復(fù)泵活塞運(yùn)動(dòng)速度低，其變速運(yùn)動(dòng)帶來的輸出壓強(qiáng)差減小，且活塞運(yùn)動(dòng)周期變長，使得往復(fù)泵輸出壓強(qiáng)的波動(dòng)較小。但當(dāng)泵結(jié)構(gòu)不變時(shí)，較低的頻率會降低往復(fù)泵的流量。在滿足額定流量的條件下，選用較低的頻率有利于實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)的平穩(wěn)輸出。

3.3 雙缸往復(fù)泵流量特性

由于活塞的變速運(yùn)動(dòng)，往復(fù)泵的流量會隨時(shí)間不斷變化。但使用者往往關(guān)心的是在一定時(shí)間內(nèi)往復(fù)泵所輸送的液體體積或質(zhì)量，這就需要研究往復(fù)泵的平均流量［6］。圖9～11分別為雙缸活塞運(yùn)動(dòng)頻率8、10和12 Hz時(shí)，1 s內(nèi)往復(fù)泵流量隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況。流量與活塞直徑、行程和頻率均成正比關(guān)系，并會隨行程的增加而線性遞增。

圖9 頻率8 Hz時(shí)平均流量隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化

4 結(jié)論

1)通過數(shù)值計(jì)算，可以看出往復(fù)泵在輸送推進(jìn)劑時(shí)，壓強(qiáng)建立迅速，增壓效果明顯。

2)液缸出口配有單向閥的設(shè)計(jì)有效阻止了下游管路的回流，不會使推進(jìn)劑的回流干擾泵內(nèi)流場。

3)雙缸甚至多缸設(shè)計(jì)的往復(fù)泵有利于壓強(qiáng)的平穩(wěn)輸出，且較低的工作頻率有助于降低輸出壓強(qiáng)的波動(dòng)。

4)往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)及液缸數(shù)量可對泵的平均流量產(chǎn)生較大的影響。

［1］Whitehead J C.Hydrogen peroxide gas generator cycle with a reciprocating pump［R］.［S.l］:AIAA，2002.

［2］Whitehead J C.Pumped hydrazine miniaturized propulsion system［R］.［S.l］:AIAA，1989.

［3］Frei T E，Maybee J C.Recent test results of a warm gas pumed monopropellant propulsion system［R］.［S.l］:AIAA，1994.

［4］Whitehead J C.Pump fed propulsion for mars ascent and other challenging maneuvers［R］.［S.l］:NSTC，2007.

［5］ 張志榮，冉景煜.內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體CFD瞬態(tài)分析中動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分技術(shù)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(11):97－100.

［6］ 朱俊華，戰(zhàn)長松.往復(fù)泵［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.