王穎

【摘 要】對(duì)氣體增壓泵抽氣裝置內(nèi)外流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，作為一個(gè)算例，給出了數(shù)值分析結(jié)果。計(jì)算采用ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行建模，然后應(yīng)用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，采用CFX軟件進(jìn)行數(shù)值求解和進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理。

【關(guān)鍵詞】氣體增壓泵；抽氣裝置；內(nèi)外流流場(chǎng)；三維數(shù)值分析

0 引言

氣體增壓泵是利用離心力的作用，使其內(nèi)部的氣體富集在靠近邊壁處，其內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)抽氣裝置，通過(guò)控制抽氣裝置出口流量來(lái)獲得較高的出口壓力，從而實(shí)現(xiàn)增壓。在增壓泵的中心區(qū)域，氣體的壓力是很低的，而供入氣體的壓力一般為中心壓力的3～5倍，出口壓力與供氣壓力的壓比越大，增壓泵的工作效率就越高。

隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，增壓泵轉(zhuǎn)筒的線速度可以達(dá)到很高，所以增壓泵的壓比可以達(dá)到很高的數(shù)值，對(duì)于需要低流量高壓比的情況，氣體增壓泵是非常適用的。

另外，增壓泵工作時(shí)，抽氣裝置的形狀和姿態(tài)對(duì)增壓泵的功耗和效率有很大的影響，低能耗的增壓泵是非常有用的，為了降低抽氣裝置的摩擦損耗和激波損耗，可以將抽氣裝置頭部加工成特殊形狀，從而降低增壓泵的功耗。

該種氣體增壓泵可用于飛行器內(nèi)某種加注/排泄系統(tǒng)，我們將飛行器在30km～40km（氣壓在1194Pa～286Pa）高空時(shí)的情況作為一個(gè)算例進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型

進(jìn)行計(jì)算時(shí)作了以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）忽略由于熱輻射引起的熱交換；

（2）流體的粘性系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)和等壓比熱系數(shù)都為常數(shù)，不隨溫度變化。

采用ANSYS軟件[1]的結(jié)構(gòu)模塊建立計(jì)算模型，由于幾何模型相對(duì)于中分面是對(duì)稱的，因此只需要建立一半模型，如圖1所示。另外，由于抽氣裝置處于高速來(lái)流的旋轉(zhuǎn)氣體當(dāng)中，其頭部的激波損耗將會(huì)非常的大，因此要對(duì)抽氣裝置的頭部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有利于降低其激波損耗。

應(yīng)用ICEM CFD網(wǎng)格預(yù)處理軟件[2]進(jìn)行模型網(wǎng)格的劃分，采用塊體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋭澐志W(wǎng)格的方法進(jìn)行，網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格，具體網(wǎng)格如見(jiàn)圖2所示。

應(yīng)用CFX流體計(jì)算分析軟件[3]進(jìn)行求解。

在設(shè)定邊界條件時(shí)，為了避免由于增壓泵中心壓力過(guò)低造成計(jì)算溢出，在泵內(nèi)假定了一個(gè)內(nèi)邊界。

流體計(jì)算采用湍流模型，具體采用SST（剪應(yīng)力輸運(yùn)模型）模型。

計(jì)算采用單機(jī)雙CPU并行計(jì)算技術(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

本算例以空氣作為工作介質(zhì)，增壓泵內(nèi)徑0.5m，線速度為400m/s，邊壁處壓力設(shè)定為35000pa，進(jìn)口溫度為25℃，抽氣裝置的取氣量為3×10-7kg/s。

計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式，隱式迭代，計(jì)算結(jié)果如見(jiàn)圖3～圖6所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，氣體在增壓泵中旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓力呈指數(shù)分布，速度呈線形分布，而在抽氣裝置附近，產(chǎn)生了很明顯的向內(nèi)側(cè)延伸的斜激波，降低了增壓泵的功耗，計(jì)算結(jié)果顯示該增壓泵的總功耗僅為120W左右，耗能低，很適合工業(yè)應(yīng)用。

另外，在抽氣裝置頭部?jī)?nèi)側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)低溫區(qū)，最高溫度出現(xiàn)在抽氣裝置出口處。

該算例中，抽氣裝置出口處壓力為16300Pa左右。而增壓泵中心處壓力僅為200Pa左右。如果將供氣壓力取為中心壓力的3～5倍，也就是600～1000Pa左右，則增壓泵的壓比可以達(dá)到16左右，這對(duì)于增壓泵來(lái)說(shuō)是非常有意義的。

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算獲得以下結(jié)論：

（1）本文的計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓泵內(nèi)外流流場(chǎng)的數(shù)值仿真；

（2）增壓泵內(nèi)抽氣裝置頭部形狀設(shè)計(jì)可以降低其頭部的激波損耗，該算例中，增壓泵的總功耗僅為120W左右，非常適合工業(yè)應(yīng)用；

（3）抽氣裝置出口處形成很高的背壓，該增壓泵的壓比可以高達(dá)16，這對(duì)實(shí)現(xiàn)低流量高壓比的增壓泵很有意義。

致謝：

感謝吳雷研究員和丁保庚研究員在論文編寫(xiě)過(guò)程中給予的建議和幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ANSYS手冊(cè)，ANSYS 7.0.ANSYS公司.2003.6.

[2]ICEM CFDV4.3.1手冊(cè).ANSYS公司.2003.12.

[3]ANSYS CFX5.7手冊(cè).ANSYS公司.2004.6.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]