航空燃油離心泵內(nèi)流特性研究

昝宇晗，孫晉

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

在航空飛機發(fā)動機中，燃油泵屬于關(guān)鍵部件，可以為發(fā)動機提供燃油或增壓。從類型看，航空燃油泵包括了離心泵、柱塞泵、齒輪泵等。相比之下，航空燃油離心泵的比較優(yōu)勢相對較大，具體表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速高、尺寸小、揚程高、燃油溫升少、調(diào)整流量范圍大、安全可靠性強、質(zhì)量功率比小、使用壽命長等方面。所以，在我國航空技術(shù)快速發(fā)展的過程中，對于航空燃油離心泵的使用頻率較高，對于它的研究相對較多。

1 航空燃油離心泵內(nèi)流動研究方法

航空燃油離心泵內(nèi)流動屬于三維湍流流動，復(fù)雜化程度較高，通常在研究過程中，無論采用理論分析方法，還是實驗研究方法均存在一定的難度。從現(xiàn)階段的對航空燃油離心泵內(nèi)流動情況的相關(guān)研究情況看，在實際研究中為了提高研究效果與精準(zhǔn)性，一般會選擇數(shù)值模擬方法。例如，在離心泵處于不同工況時的內(nèi)流壓力場的動靜干涉影響研究、離心泵蝸殼內(nèi)部渦流量場研究中，均可以采用SA模型、DDES湍流模型、玻爾茲曼方法、雷諾平均方程等進行數(shù)值模擬與分析等。本次選擇Fluent軟件結(jié)合某型燃油離心泵對不同流量、不同轉(zhuǎn)速條件下的離心泵內(nèi)流特性展開分析。

2 航空燃油離心泵內(nèi)流特性數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 幾何模型

航空燃油離心泵幾何模型構(gòu)成要素包括了出口、入口、葉輪、蝸殼、輸入管道等，其中的參數(shù)指標(biāo)如下：（1）入口直徑：80mm；（2）出口直徑：50mm；（3）葉輪直徑：170mm?；贔luent軟件的離心泵幾何模型，見圖1。

圖1 航空燃油離心泵幾何模型示意

2.1.2 網(wǎng)格生成

目前，在航空燃油離心泵內(nèi)部非定常流動方面的數(shù)值模擬中，通常以動網(wǎng)格技術(shù)、滑移動網(wǎng)格技術(shù)為主。比較而言，后一種技術(shù)在應(yīng)用時，無需重建網(wǎng)格、計算量相對較少，而且應(yīng)用中相對穩(wěn)定，所以，通常研究中一般以后一種技術(shù)應(yīng)用為主進行網(wǎng)格生成。本次研究中按照網(wǎng)格生成需求，采用了滑移動網(wǎng)格技術(shù)。具體應(yīng)用步驟如下：（1）確定獨立計算域，包括葉輪、蝸殼、入口管道區(qū)域。（2）生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要是將作為研究對象的航空燃油離心泵相關(guān)數(shù)據(jù)輸入后形成具有三維特征的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。（3）設(shè)置滑動網(wǎng)格、確定運動方式，具體是將計算域作為動域并將其設(shè)置為滑動網(wǎng)格，選擇繞葉軸軸葉定軸轉(zhuǎn)動作為確定的轉(zhuǎn)動方式。

2.1.3 流動控制方程

航空燃油離心泵內(nèi)部流動屬于非定常不可壓縮黏性流動，主要特征為湍流。因此，在本次研究中選擇的流動控制議程為雷諾平均方向，假定密度為ρ、壓力為P、速度分量為ui、雷諾應(yīng)力為公式為

2.1.4 湍流模型

在應(yīng)用雷諾平均議程時，需要應(yīng)用湍流模型對雷諾應(yīng)力項進行封閉求解處理，所以，在確定流動控制方程時，本次應(yīng)用了k?ε湍流模型，其中k表示湍動能，ε表示耗散率。假定動力黏度為u、湍動黏度為ut、平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項為Gk、湍動能與耗散率對應(yīng)的普朗數(shù)為kσ=1.0、εσ=1.3，經(jīng)驗系數(shù)C1ε=1.44、C2ε=1.92，那么可以得到輸運方程為

2.1.5 邊界條件

在本次設(shè)計的模型中，航空燃油離心泵的邊界條件包括入口邊界（壓力入口，壓力值=0.1MPa）、出口邊界（體積流量出口）、移動壁面（葉片，相對靜止對象為滑移網(wǎng)格區(qū)域）、其他壁面（靜止無滑移壁面），將interface設(shè)置為計算域交界面。

2.1.6 計算方法

本次研究中選擇的軟件為Fluent，在求解器方面主要以壓力基求解器為準(zhǔn)，空間離散應(yīng)用一階迎風(fēng)格式，時間離散應(yīng)用一階隱式格式，迭代方法選擇SIMPLE算法。相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下：（1）迭代時間步長選擇1.25×10-4s；（2）流體區(qū)域材料：為航空煤油，密度=780kg?m-3；動力黏度 =2.5×10-3kg?（m?s）-3。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 不同流量下的計算結(jié)果分析

首先，將離心泵的轉(zhuǎn)速設(shè)置為每分鐘300r，然后通過對體積流量（出口邊界）的改變，對其工況進行計算，獲得相關(guān)物理量分布情況。本次研究中設(shè)置的流量共計4個：30m3/h、40m3/h、50m3/h、m3/h。其次，將葉輪作為動參考系，然后對相對速度rν分布（不同物理量分布情況見下圖2）。計算結(jié)果分析如下。

圖2 轉(zhuǎn)速300r/min時不同流量下的葉輪截面相對速度分布示意圖

（1）在不同流量下的葉輪截面相對速度分布情況表明，在流量逐次遞增時，葉輪中流體相對速度rν隨之增加。從原因看，主要是在這種條件下，葉輪輸出體積流量與穿過相對速度穿過葉輪出口時的通量保持一致。從關(guān)系方面看，可以表述為：相對速度大小與流量大小呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）不同流量下的蝸殼截面絕對速度分布情況表明，在流量逐次遞增時，葉輪邊緣出流絕對速度ν逐漸遞減。從原因方面看，主要是葉輪邊緣速度合成過程中的絕對速度在右旋轉(zhuǎn)時的矢量合成結(jié)果關(guān)系所致。具體而言，確定葉輪邊緣上面的某點后，對葉輪旋轉(zhuǎn)時的情況進行分析，會發(fā)現(xiàn)其中出現(xiàn)了牽連速度矢量eν，假定小流量下的相對速度為νr1、絕對速度為1ν，大流量下的相對速度為νr2、絕對速度為2ν，此時，牽涉速度方向與葉輪周線相切，相對速度方向與葉稍處于近似相切狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相對較高時，牽涉速度大于相對速度，且是后者的2倍到5倍。因此，在這種矢量合成情況下，流量增大、相對速度增加、絕對速度矢量相對減小。從關(guān)系方面看，可以表述為：隨著流量增大葉輪邊緣速度相對降低。

（3）不同流量下蝸殼葉輪截面靜壓分布情況表明，從中心到邊緣，泵內(nèi)靜壓處于逐漸升高狀態(tài)，而且在流量增大時，蝸殼內(nèi)靜壓處于降低狀態(tài)。從原因看，泵內(nèi)靜壓升高主要由葉輪做功造成，而蝸殼內(nèi)靜壓降低則由葉輪邊緣出流絕對速度降低所致。流量增大后，蝸殼出口的動壓實際上處于較大狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)化為壓能的動能比較少，靜壓自然處于較低狀態(tài)。

除此之外，葉根附近呈現(xiàn)出局部低壓現(xiàn)象。例如，當(dāng)流量為30m3/h時，葉根附近靜壓分布情況比較復(fù)雜，流體繞過葉根的過程中，流道的狀態(tài)變化方式是先收縮再擴張，因此流速在急劇提高的情況下發(fā)生了驟然下降，在此過程中出現(xiàn)了部分壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿那闆r，所以造成了葉根附近呈現(xiàn)出局部根壓的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，可以通過對流動情況的改變，合理的使低壓區(qū)面積縮小，達到對氣蝕現(xiàn)象的控制。不同轉(zhuǎn)速下的葉輪截面相對速度分布。

2.2.2 不同轉(zhuǎn)速下的計算結(jié)果分析

首先，結(jié)合通常的數(shù)值模擬與實驗分析經(jīng)驗，將流量設(shè)置為50m3/h，然后，設(shè)置轉(zhuǎn)速共計4個：2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min。其次，通過對滑移網(wǎng)格區(qū)域轉(zhuǎn)角速度的改變，可以獲得不同轉(zhuǎn)速工況下的相對速度rν、絕對速度ν、靜壓力曲線等相關(guān)物理量的分布情況（見圖3）。分析如下：

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的壓力流量曲線分布情況示意

首先，不同轉(zhuǎn)速下的葉輪截面相對速度分布情況表明，轉(zhuǎn)速提高時葉根附近的存在局部高速區(qū)域逐漸擴大的現(xiàn)象，可是葉輪附近大部分區(qū)域相對速度的變化不是很大，其次，不同轉(zhuǎn)速下的蝸殼截面絕對速度分布情況表明，轉(zhuǎn)速提高時，受到牽連速度的同步增大影響，蝸殼葉輪邊緣附近的速度隨之增高。最后，轉(zhuǎn)速提高時泵內(nèi)靜壓隨之增大，葉輪邊緣與蝸殼中的靜壓增大情況比較明顯。從原因看，除了轉(zhuǎn)速提高時民生的科氏力增大影響外，還包括葉輪邊緣出流靜壓的升高、動能的增加。所以，在流量確定的情況下，動能隨轉(zhuǎn)速增加、動壓相同的情況下動能轉(zhuǎn)化為使泵內(nèi)靜壓升高的壓能。

當(dāng)進口壓力不變的情況下，對不同轉(zhuǎn)速下的壓力流量進行工況計算并制作出上圖中的離心泵壓力流量曲線。此時可以看出轉(zhuǎn)速確定的條件下，流量增加泵輸出壓力有明顯降低的現(xiàn)象。同時，流量確定的情況下轉(zhuǎn)速提高泵輸出壓力增大。另外，轉(zhuǎn)速降低離心泵則不能在大流量下保持正常工況。

3 結(jié)語

總之，本次選擇Fluent軟件對不同流量、轉(zhuǎn)速條件下的離心泵內(nèi)流特性進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示，增強對幾何形狀的設(shè)計、重視低壓區(qū)設(shè)計中葉輪載荷與氣餒影響，均有利于促進離心泵產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中的性能提升。同時，在應(yīng)用過程中應(yīng)該注重出口壓力與轉(zhuǎn)速限定條件下的運行流量變化，并在充分認(rèn)識到轉(zhuǎn)速低時大流量運行困難的應(yīng)用特點后按照轉(zhuǎn)速合理地控制其運行流量，確保離泵的應(yīng)用性能始終處于良好狀態(tài)。