昝宇晗，孫晉

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

在航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油泵屬于關(guān)鍵部件，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)相對(duì)較大，具體表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速高、尺寸小、揚(yáng)程高、燃油溫升少、調(diào)整流量范圍大、安全可靠性強(qiáng)、質(zhì)量功率比小、使用壽命長(zhǎng)等方面。所以，在我國(guó)航空技術(shù)快速發(fā)展的過程中，對(duì)于航空燃油離心泵的使用頻率較高，對(duì)于它的研究相對(duì)較多。

1 航空燃油離心泵內(nèi)流動(dòng)研究方法

航空燃油離心泵內(nèi)流動(dòng)屬于三維湍流流動(dòng)，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(shí)驗(yàn)研究方法均存在一定的難度。從現(xiàn)階段的對(duì)航空燃油離心泵內(nèi)流動(dòng)情況的相關(guān)研究情況看，在實(shí)際研究中為了提高研究效果與精準(zhǔn)性，一般會(huì)選擇數(shù)值模擬方法。例如，在離心泵處于不同工況時(shí)的內(nèi)流壓力場(chǎng)的動(dòng)靜干涉影響研究、離心泵蝸殼內(nèi)部渦流量場(chǎng)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(jìn)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(duì)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(dòng)方面的數(shù)值模擬中，通常以動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)為主。比較而言，后一種技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，無需重建網(wǎng)格、計(jì)算量相對(duì)較少，而且應(yīng)用中相對(duì)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(jìn)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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。具體應(yīng)用步驟如下：（1）確定獨(dú)立計(jì)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(duì)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(dòng)網(wǎng)格、確定運(yùn)動(dòng)方式，具體是將計(jì)算域作為動(dòng)域并將其設(shè)置為滑動(dòng)網(wǎng)格，選擇繞葉軸軸葉定軸轉(zhuǎn)動(dòng)作為確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方式。

2.1.3 流動(dòng)控制方程

航空燃油離心泵內(nèi)部流動(dòng)屬于非定常不可壓縮黏性流動(dòng)，主要特征為湍流。因此，在本次研究中選擇的流動(dòng)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(shí)，需要應(yīng)用湍流模型對(duì)雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行封閉求解處理，所以，在確定流動(dòng)控制方程時(shí)，本次應(yīng)用了k?ε湍流模型，其中k表示湍動(dòng)能，ε表示耗散率。假定動(dòng)力黏度為u、湍動(dòng)黏度為ut、平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)為Gk、湍動(dòng)能與耗散率對(duì)應(yīng)的普朗數(shù)為kσ=1.0、εσ=1.3，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C1ε=1.44、C2ε=1.92，那么可以得到輸運(yùn)方程為

2.1.5 邊界條件

在本次設(shè)計(jì)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(dòng)壁面（葉片，相對(duì)靜止對(duì)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(jì)算域交界面。

2.1.6 計(jì)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(shí)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(shí)間步長(zhǎng)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(dòng)力黏度 =2.5×10-3kg?（m?s）-3。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 不同流量下的計(jì)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(duì)體積流量（出口邊界）的改變，對(duì)其工況進(jìn)行計(jì)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(jì)4個(gè)：30m3/h、40m3/h、50m3/h、m3/h。其次，將葉輪作為動(dòng)參考系，然后對(duì)相對(duì)速度rν分布（不同物理量分布情況見下圖2）。計(jì)算結(jié)果分析如下。

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

（1）在不同流量下的葉輪截面相對(duì)速度分布情況表明，在流量逐次遞增時(shí)，葉輪中流體相對(duì)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(duì)速度穿過葉輪出口時(shí)的通量保持一致。從關(guān)系方面看，可以表述為：相對(duì)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(duì)速度分布情況表明，在流量逐次遞增時(shí)，葉輪邊緣出流絕對(duì)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(duì)速度在右旋轉(zhuǎn)時(shí)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(diǎn)后，對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況進(jìn)行分析，會(huì)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(duì)速度為νr1、絕對(duì)速度為1ν，大流量下的相對(duì)速度為νr2、絕對(duì)速度為2ν，此時(shí)，牽涉速度方向與葉輪周線相切，相對(duì)速度方向與葉稍處于近似相切狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高時(shí)，牽涉速度大于相對(duì)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(duì)速度增加、絕對(duì)速度矢量相對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)速度降低所致。流量增大后，蝸殼出口的動(dòng)壓實(shí)際上處于較大狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)化為壓能的動(dòng)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(shí)，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(kuò)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?dòng)能的情況，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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過對(duì)流動(dòng)情況的改變，合理的使低壓區(qū)面積縮小，達(dá)到對(duì)氣蝕現(xiàn)象的控制。不同轉(zhuǎn)速下的葉輪截面相對(duì)速度分布。

2.2.2 不同轉(zhuǎn)速下的計(jì)算結(jié)果分析

首先，結(jié)合通常的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析經(jīng)驗(yàn)，將流量設(shè)置為50m3/h，然后，設(shè)置轉(zhuǎn)速共計(jì)4個(gè)：2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min。其次，通過對(duì)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(duì)速度rν、絕對(duì)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(duì)速度分布情況表明，轉(zhuǎn)速提高時(shí)葉根附近的存在局部高速區(qū)域逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)象，可是葉輪附近大部分區(qū)域相對(duì)速度的變化不是很大，其次，不同轉(zhuǎn)速下的蝸殼截面絕對(duì)速度分布情況表明，轉(zhuǎn)速提高時(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)能的增加。所以，在流量確定的情況下，動(dòng)能隨轉(zhuǎn)速增加、動(dòng)壓相同的情況下動(dòng)能轉(zhuǎn)化為使泵內(nèi)靜壓升高的壓能。

當(dāng)進(jìn)口壓力不變的情況下，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的壓力流量進(jìn)行工況計(jì)算并制作出上圖中的離心泵壓力流量曲線。此時(shí)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(shí)，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(duì)不同流量、轉(zhuǎn)速條件下的離心泵內(nèi)流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示，增強(qiáng)對(duì)幾何形狀的設(shè)計(jì)、重視低壓區(qū)設(shè)計(jì)中葉輪載荷與氣餒影響，均有利于促進(jìn)離心泵產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中的性能提升。同時(shí)，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(yùn)行流量變化，并在充分認(rèn)識(shí)到轉(zhuǎn)速低時(shí)大流量運(yùn)行困難的應(yīng)用特點(diǎn)后按照轉(zhuǎn)速合理地控制其運(yùn)行流量，確保離泵的應(yīng)用性能始終處于良好狀態(tài)。