發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵后流場數(shù)值仿真研究

裴曦，高玉閃，張曉光

(中國航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵后流場數(shù)值仿真研究

裴曦，高玉閃，張曉光

(中國航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵至燃?xì)獍l(fā)生器段的流場結(jié)構(gòu)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，從理論上分析氧泵后是否需要設(shè)置整流柵以調(diào)整流場，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)十分必要。針對(duì)氧泵后流場的特點(diǎn)，借助CFD計(jì)算手段，對(duì)該段流場進(jìn)行有整流柵和無整流柵兩種情況的數(shù)值模擬，計(jì)算得到流阻、發(fā)生器入口處的總壓均勻度、氧閥流量均勻度以及閥芯受力情況。結(jié)果表明：氧閥后設(shè)置整流柵是有必要的。

整流柵；CFD；流場；氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)；液體發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引 言

通過上述對(duì)國外已有發(fā)動(dòng)機(jī)的分析可以看出，氧主閥上游的旋流葉輪、管式擴(kuò)壓器、蝸殼、90°彎管等均可視為擾流部件，它們使得流體產(chǎn)生撞擊、分離脫流、漩渦等現(xiàn)象，在整流柵進(jìn)口形成復(fù)雜的流動(dòng)參數(shù)分布形態(tài)，可能導(dǎo)致：①下游組件流阻增大；②發(fā)生器入口流量分布不均，影響發(fā)生器噴注器的混合比和發(fā)生器出口流場溫度的均勻性[9-10]。

為了評(píng)估氧泵后設(shè)置整流柵對(duì)流場的影響，需要對(duì)氧泵至燃?xì)獍l(fā)生器入口處進(jìn)行全流場仿真，本文通過CFD手段對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值模擬，得到氧路流場特性及組件的工作性能，對(duì)計(jì)算所得的物理量進(jìn)行評(píng)估，評(píng)判是否有必要設(shè)置整流柵。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型

為了能夠精確地模擬氧泵后的流場，選取包括渦輪氧泵、泵后總裝管路、氧主閥以及氧閥后總裝管路的模型，如圖1所示。

整流柵采用平板多孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)兼顧整流效果與自身流阻，孔的進(jìn)出口均設(shè)有導(dǎo)向錐，并與中心圓柱段圓弧轉(zhuǎn)接。實(shí)際使用時(shí)，整流柵通過螺紋旋入氧泵出口管。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

采用六面體和四面體網(wǎng)格填充計(jì)算域，網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

那天晚上，石屋之外的范堅(jiān)強(qiáng)，同樣無法平靜。他在石屋外擺了一張小幾，一個(gè)人默默地喝酒。墨鏡男悄無聲息地走了過來：“老板，您還喝？”范堅(jiān)強(qiáng)放下手中的酒杯，說：“你也來陪我喝幾杯。”男子不動(dòng)。“坐呀，你坐。”范堅(jiān)強(qiáng)舉起酒杯，騰出中指指了指旁邊，卻發(fā)現(xiàn)沒有凳子，便說：“你去搬一張過來?！狈秷?jiān)強(qiáng)又把杯子放下，點(diǎn)燃煙斗，抽了一口。

case 1表示無整流柵時(shí)的流道狀態(tài)，網(wǎng)格數(shù)量為670萬；case 2表示有整流柵時(shí)的流道狀態(tài)，網(wǎng)格數(shù)量為990萬。

1.3 數(shù)學(xué)模型

基于FLUENT流體計(jì)算平臺(tái)開展三維定常不可壓湍流流動(dòng)計(jì)算。選取Pressure Based求解器，湍流模型采用RNGk-ε兩方程模型，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。采用多重坐標(biāo)系模型，將誘導(dǎo)輪、離心輪等旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流體定義在非慣性坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min；靜止區(qū)域的流體定義在慣性坐標(biāo)系下，在旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面上采用混合界面法處理動(dòng)靜耦合流動(dòng)的參數(shù)傳遞。采用流量進(jìn)口邊界，流量為995.5 kg/s，靜壓為2.01 MPa，溫度為126.7 K。出口設(shè)為壓力出口，壁面絕熱無滑移。液氧密度為1 088 kg/m3，定壓比熱為1 527.8 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.148 W/(m·K)，粘性系數(shù)為1.592×10-4Pa·s。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 定常計(jì)算

case 1和case 2流道特征截面的總壓分布及面流線分布對(duì)比如圖3～圖4所示，二者的流道流線對(duì)比如圖5所示?？倝旱戎稻€的疏密程度用來表征總壓梯度的大小，總壓等值線越密，表示總壓梯度越大，反之，則越小。流線的疏密程度用來表征速度及流量的大小，流線越密，表示速度及流量越大，反之，則越小。

從圖3～圖5可以看出：case 1氧閥進(jìn)口呈現(xiàn)典型的彎管二次流反向?qū)ΨQ雙渦旋，即迪恩渦[3]；氧閥內(nèi)部流道內(nèi)側(cè)流速快、流量大，而外側(cè)流速慢、流量??；case 2由于設(shè)置了整流柵，其氧閥進(jìn)口的總壓及速度矢量分布變得均勻，流線之間的夾角顯著減小，表明氧閥內(nèi)部的流態(tài)得到明顯改善，氧閥流道四個(gè)象限的流量均勻性顯著提高。

case 1和case 2的氧化劑路流阻情況對(duì)比如表1所示，可以看出：安裝了整流柵后(case 2)的流阻減小了0.237 MPa，即改善了氧泵后流場的流阻狀況。

表1 case 1和case 2的氧化劑路流阻情況對(duì)比

綜上所述，理想的整流柵應(yīng)能夠?yàn)橄掠翁峁┚鶆虻闹本€流動(dòng)，并對(duì)流阻有一定的改善作用。

2.2 非定常計(jì)算

氧化劑系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作具有重要作用，液氧流量的變化會(huì)對(duì)發(fā)生器內(nèi)壓力產(chǎn)生較大影響，當(dāng)發(fā)生器內(nèi)壓力脈動(dòng)與液氧壓力脈動(dòng)相互耦合時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)生器系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此需要對(duì)液氧系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行研究。非定常計(jì)算時(shí)，時(shí)間步長取5e-5s，計(jì)算時(shí)間為葉輪旋轉(zhuǎn)14個(gè)周期。監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖6所示，point 1位于蝸殼出口管隔舌位置圓截面中心，point 2位于泵出口彎管后端面圓心，point 3位于節(jié)流閥出口端面圓心。

將最后6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)做傅里葉頻譜分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出：整流柵對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率幾乎沒有影響。

對(duì)監(jiān)測(cè)到的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)做均方差計(jì)算，公式為

(1)

(2)

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 有無整流柵時(shí)各點(diǎn)壓力脈動(dòng)比較

從表2可以看出：整流柵的設(shè)置使得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均有所降低，point 1、point 2和point 3三點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分別降低了68 176、76 947和77 001 Pa。

3 結(jié) 論

(1) 整流柵的設(shè)置改善了氧閥內(nèi)部的流態(tài)，提高了流量均勻度，且降低了流阻。

(2) 整流柵對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)影響有限，但是從壓力脈動(dòng)均方差數(shù)據(jù)來看，整流柵的設(shè)置使得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均有所降低。

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(編輯：馬文靜)

Numerical Simulation of the Flow Field of Engine Liquid Oxygen Pump Housing

Pei Xi, Gao Yushan, Zhang Xiaoguang

(The Eleventh Research Institute, The Sixth Academy of CASC, Xi’an 710100, China)

The flow field structure from engine oxygen pump to the gas generator directly influences the working performance of engine. It is necessary to theoretically analyze whether it is needed to set up perforated distribution plate after the oxygen pump to adjust the flow field. According to the characteristics of flow field after oxygen pump, by using the CFD method, the numerical simulations are made for the two flow fields-with and without perforated distribution plate. The flow resistance, the total pressure at the entrance of generator evenness, oxygen valve flow uniformity and the valve core force are calculated. Results show that it is necessary to set up the perforated distribution plate after oxygen valve.

perforated plate; CFD; flow flied; system of oxygen supply; liquid engine

2017-02-09；

2017-03-30

裴曦,peixi5297556@163.com

1674-8190(2017)02-244-05

V238

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.02.018

裴 曦(1984-)，男，博士，工程師。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。

高玉閃(1983-)，男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。

張曉光(1987-)，男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。