高壓燃油離心泵壓力脈動(dòng)及非定常流動(dòng)分析

李嘉, 李華聰, 張偉, 王玥, 李柯柯, 王淑紅

(1.長(zhǎng)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(dòng)力與能源學(xué)院, 陜西 西安 710072;3.陜西空天動(dòng)力研究院有限公司, 陜西 西安 710000; 4.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)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(dòng)機(jī)理很有必要[1-2]。在當(dāng)前大機(jī)動(dòng)飛行、超聲速巡航的工作要求下,泵內(nèi)存在復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題[3]。另外,離心泵周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)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(shì)干擾、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)失速、湍流等極度復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài),內(nèi)部流場(chǎng)具有強(qiáng)烈且復(fù)雜非定常特性[4-6]。因此,很有必要對(duì)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)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(lái)越強(qiáng)烈,傳統(tǒng)的定常假設(shè)會(huì)令性能分析結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差,制約對(duì)離心泵性能潛力的挖掘。因此，有必要逐步將流動(dòng)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(lái)越多的科研人員對(duì)離心泵的非定常特性開(kāi)展了研究。

對(duì)離心泵內(nèi)部的非定常流動(dòng)開(kāi)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(cè)量3種手段,其中,對(duì)泵的壓力脈動(dòng)及非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)等研究取得了一定的成果。針對(duì)壓力脈動(dòng)的研究,Zheng等[11]通過(guò)數(shù)值仿真分析了離心泵間隙內(nèi)的壓力脈動(dòng)變化,表明了間隙內(nèi)壓力脈動(dòng)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(dòng)信號(hào),得到導(dǎo)葉流道進(jìn)口處壓力脈動(dòng)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(duì)離心泵實(shí)際運(yùn)行中的彎管畸變?nèi)肓鲉?wèn)題進(jìn)行了分析,對(duì)泵在不同入流條件下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),得到了最優(yōu)的彎管結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn),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(dòng),且不同位置的脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)強(qiáng)度符合一定的規(guī)律。袁建平等[14]對(duì)離心泵在小流量時(shí)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(dòng)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(dòng)相比于軸線(xiàn)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(dòng)力學(xué)對(duì)離心泵多工況下的旋渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬,清晰地觀(guān)測(cè)到了葉輪和蝸殼內(nèi)的小尺度漩渦。楊紅紅[16]對(duì)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(duì)泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速問(wèn)題的影響。

總的來(lái)看,離心泵內(nèi)非定常特性呈現(xiàn)的非常明顯,壓力脈動(dòng)變化、非定常流動(dòng)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(duì)高壓燃油離心泵的壓力脈動(dòng)變化、非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)開(kāi)展細(xì)致的分析研究。

1 研究對(duì)象

以某型高壓燃油離心泵為對(duì)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(dòng)機(jī)的主燃油泵,主要過(guò)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(shí),分別對(duì)泵進(jìn)口、出口壓力進(jìn)行測(cè)量,用來(lái)計(jì)算泵的揚(yáng)程。同時(shí),對(duì)泵的進(jìn)口處流量進(jìn)行測(cè)量,用來(lái)計(jì)算泵的水力效率。通過(guò)試驗(yàn)獲取2個(gè)外特性性能參數(shù),與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)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(lái)限定泵進(jìn)口壓力;比例流量閥用來(lái)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(lái)測(cè)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(duì)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(duì)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?？梢钥闯?當(dāng)網(wǎng)格由Grid-2變至Grid-3時(shí),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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)速度為0,以滿(mǎn)足動(dòng)靜固壁面為無(wú)滑移邊界,同時(shí)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(shí)間較長(zhǎng),為了提高仿真精度和求解效率,需要確定最佳的時(shí)間步長(zhǎng)(即采樣頻率),因此,進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)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(shí)間,泵轉(zhuǎn)速n=28 000 r/min工況為條件進(jìn)行分析。取每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中葉輪分別旋轉(zhuǎn)9°,5°和3°進(jìn)行仿真,時(shí)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(shí),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(cè)數(shù)據(jù)為目標(biāo)進(jìn)行3種時(shí)間步長(zhǎng)下仿真結(jié)果的對(duì)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(shí),主頻更接近葉頻,對(duì)計(jì)算時(shí)間和精度折中考慮,選擇該條件為最終仿真時(shí)間步長(zhǎng)。圖3為3°(55 999 Hz)下出口壓力脈動(dòng)的頻域分析結(jié)果。

圖3 3°(55 999 Hz)出口壓力脈動(dòng)頻域分析結(jié)果

3.3 監(jiān)測(cè)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(dòng)特性,對(duì)泵內(nèi)的不同位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意圖如圖4所示。其中,主要對(duì)葉輪及蝸殼流道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。值得注意的是,非定常仿真結(jié)果均呈現(xiàn)一定的波動(dòng),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(duì)仿真與試驗(yàn)性能結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行工況下仿真與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相似。其中,中間流量工況0.7Qd運(yùn)行時(shí),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(chǎng)仿真分析。

4.2 壓力脈動(dòng)分析

4.2.1 壓力脈動(dòng)時(shí)頻特性計(jì)算

為了對(duì)高壓燃油離心泵非定常流動(dòng)特性進(jìn)行定量分析,對(duì)泵的壓力脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

首先,提取離心泵不同位置的壓力信號(hào),引入無(wú)量綱參數(shù)壓力脈動(dòng)系數(shù)cp,直觀(guān)地反映壓力脈動(dòng)幅值的大小,進(jìn)行不同位置壓力脈動(dòng)大小的對(duì)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(dòng)系數(shù)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換,分析其時(shí)頻特性。

4.2.2 仿真結(jié)果

分析葉輪流道內(nèi)壓力脈動(dòng)時(shí)頻特性。圖5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑向排列下壓力及壓力脈動(dòng)系數(shù)時(shí)頻域結(jié)果。從葉輪進(jìn)口往外壓力變化趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)壓力幅值和壓力脈動(dòng)系數(shù)最大,分別為11.40 MPa,0.114。同時(shí),單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力呈現(xiàn)8個(gè)波峰及8個(gè)波谷。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓力脈動(dòng)主頻均為468.617 8 Hz,主頻均對(duì)應(yīng)泵的轉(zhuǎn)頻fn。

圖5 徑向排列下壓力及壓力脈動(dòng)系數(shù)時(shí)頻域結(jié)果

對(duì)蝸殼流道內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)時(shí)頻特性分析。圖6為蝸殼內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力及壓力脈動(dòng)系數(shù)時(shí)頻域結(jié)果。考慮篇幅,以其中9個(gè)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(cè)點(diǎn)的時(shí)頻域變化基本趨勢(shì)一致。不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓力脈動(dòng)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(dòng)系數(shù)時(shí)頻域結(jié)果

4.3 典型非定常流動(dòng)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(duì)不同流量工況下的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,包括:壓力分布、相對(duì)速度以及湍動(dòng)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(xiàn)分布。

圖7 軸向中間截面壓力等值線(xiàn)分布

當(dāng)流量增加時(shí),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(shí),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(shí)蝸殼的梯度緩慢,壓力增加的較為平穩(wěn)。

4.3.2 相對(duì)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(duì)速度等值線(xiàn)分布。

圖8 軸向中間截面相對(duì)速度等值線(xiàn)分布

葉輪各個(gè)流道內(nèi)的相對(duì)速度分布都不相同,呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的非軸對(duì)稱(chēng)性。且非設(shè)計(jì)工況下,這種流動(dòng)非軸對(duì)稱(chēng)性比設(shè)計(jì)工況下更為強(qiáng)烈。在小流量工況(0.5Qd)時(shí),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(gè)通道內(nèi)葉輪出口區(qū)域被高速流所控制。

4.3.3 湍動(dòng)能

以泵內(nèi)的湍動(dòng)能分布來(lái)觀(guān)察其流動(dòng)的穩(wěn)定程度,通過(guò)能量梯度理論分析泵內(nèi)流動(dòng)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(dòng)能等值線(xiàn)分布。不同流量工況下,泵的湍動(dòng)能分布整體趨勢(shì)基本一致,葉輪內(nèi)部的湍動(dòng)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(shí),湍動(dòng)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(dòng)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(shí),在葉輪進(jìn)口尤其是葉尖處均出現(xiàn)了一定的湍動(dòng)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(dòng)能集中區(qū)。

圖9 軸向中間截面湍動(dòng)能等值線(xiàn)分布

5 結(jié) 論

以某型高壓燃油離心泵為對(duì)象,基于CFD仿真技術(shù)對(duì)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(dòng)及非定常流動(dòng)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(cè)及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)出相似的脈動(dòng)變化規(guī)律,且相同位置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)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(dòng)相對(duì)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(dòng),主要位于靠近隔舌區(qū)域的葉輪流道出口位置。同時(shí),與壓力、相對(duì)速度分布一致,湍動(dòng)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。