黃啟龍，李進賢，鄭 亞，楊孟夏

(西北工業(yè)大學 航天學院，西安710072)

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

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

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 雙缸往復泵結(jié)構(gòu)示意圖

推進劑在貯箱的箱壓作用下流經(jīng)往復泵，經(jīng)過往復泵增壓后輸送至推力室，由少量推進劑產(chǎn)生的熱燃氣注入往復泵汽缸，實現(xiàn)對活塞的驅(qū)動?；钊麛D壓推進劑使泵出口單向閥打開，同時入口單向閥關(guān)閉，防止推進劑倒流?；钊党虝r由流進液缸的推進劑做功推動活塞使燃氣排出。雙活塞交替運動，有利于實現(xiàn)推進劑流量恒定。

2 往復泵內(nèi)流場數(shù)值仿真

2.1 計算模型

選雙缸往復泵單側(cè)二維流場進行動態(tài)模擬。流場計算區(qū)域如圖2所示，其中:d為活塞直徑;s為活塞行程。運動邊界包括活塞壁面和單向閥閥體。假設(shè)活塞運動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文件同時控制活塞壁面與閥芯的運動。

圖2 往復泵內(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算法計算，離散方程選用二階迎風格式。

2.2 數(shù)學模型

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

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;μ為動力黏度。

2.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)泵內(nèi)流場特點采用結(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。因為液缸流場形狀規(guī)則，且活塞移動方向垂直于邊界，所以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有利于網(wǎng)格的動態(tài)更新。而在單向閥閥芯運動區(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。

動網(wǎng)格更新方法采用動態(tài)層法和局部重劃法。液缸內(nèi)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由動態(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。與動態(tài)層法不同的是該方法將與運動邊界相連的網(wǎng)格重新劃分，而不是簡單地增加網(wǎng)格層［5］。

圖3 往復泵網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

1)出口邊界條件。

往復泵出口聯(lián)通工作負載，其出口為壓力邊界條件(Pressure-oulet)，取出口負載為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 往復泵內(nèi)壓強建立過程

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

圖4 內(nèi)流場壓強等值線

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

圖5 不同頻率時泵內(nèi)壓強隨時間的變化

3.2 雙缸往復泵壓強特性

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

3.3 雙缸往復泵流量特性

由于活塞的變速運動，往復泵的流量會隨時間不斷變化。但使用者往往關(guān)心的是在一定時間內(nèi)往復泵所輸送的液體體積或質(zhì)量，這就需要研究往復泵的平均流量［6］。圖9～11分別為雙缸活塞運動頻率8、10和12 Hz時，1 s內(nèi)往復泵流量隨結(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)值計算，可以看出往復泵在輸送推進劑時，壓強建立迅速，增壓效果明顯。

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

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

4)往復泵的結(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)燃機缸內(nèi)氣體CFD瞬態(tài)分析中動態(tài)網(wǎng)格劃分技術(shù)［J］.重慶大學學報，2005，28(11):97－100.

［6］ 朱俊華，戰(zhàn)長松.往復泵［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1992.