增壓泵內部流場的三維數值分析

王穎

【摘 要】對氣體增壓泵抽氣裝置內外流流場進行數值計算，作為一個算例，給出了數值分析結果。計算采用ANSYS軟件的結構模塊進行建模，然后應用ICEM軟件進行網格的劃分，采用CFX軟件進行數值求解和進行數據的后處理。

【關鍵詞】氣體增壓泵；抽氣裝置；內外流流場；三維數值分析

0 引言

氣體增壓泵是利用離心力的作用，使其內部的氣體富集在靠近邊壁處，其內部設計一個抽氣裝置，通過控制抽氣裝置出口流量來獲得較高的出口壓力，從而實現增壓。在增壓泵的中心區域，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。

隨著材料和技術的發展，增壓泵轉筒的線速度可以達到很高，所以增壓泵的壓比可以達到很高的數值，對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，抽氣裝置的形狀和姿態對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某種加注/排泄系統，我們將飛行器在30km～40km（氣壓在1194Pa～286Pa）高空時的情況作為一個算例進行研究。

1 計算模型

進行計算時作了以下幾點假設：

（1）忽略由于熱輻射引起的熱交換；

（2）流體的粘性系數、熱傳導系數和等壓比熱系數都為常數，不隨溫度變化。

采用ANSYS軟件[1]的結構模塊建立計算模型，由于幾何模型相對于中分面是對稱的，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流的旋轉氣體當中，其頭部的激波損耗將會非常的大，因此要對抽氣裝置的頭部形狀進行優化設計，以有利于降低其激波損耗。

應用ICEM CFD網格預處理軟件[2]進行模型網格的劃分，采用塊體結構拓撲劃分網格的方法進行，網格采用八節點六面體網格，具體網格如見圖2所示。

應用CFX流體計算分析軟件[3]進行求解。

在設定邊界條件時，為了避免由于增壓泵中心壓力過低造成計算溢出，在泵內假定了一個內邊界。

流體計算采用湍流模型，具體采用SST（剪應力輸運模型）模型。

計算采用單機雙CPU并行計算技術。

2 計算結果及分析

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

計算采用二階迎風格式，隱式迭代，計算結果如見圖3～圖6所示。

從計算結果可以看出，氣體在增壓泵中旋轉時，壓力呈指數分布，速度呈線形分布，而在抽氣裝置附近，產生了很明顯的向內側延伸的斜激波，降低了增壓泵的功耗，計算結果顯示該增壓泵的總功耗僅為120W左右，耗能低，很適合工業應用。

另外，在抽氣裝置頭部內側出現了一個低溫區，最高溫度出現在抽氣裝置出口處。

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到16左右，這對于增壓泵來說是非常有意義的。

3 結論

通過計算獲得以下結論：

（1）本文的計算方法可以實現對增壓泵內外流流場的數值仿真；

（2）增壓泵內抽氣裝置頭部形狀設計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，非常適合工業應用；

（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16，這對實現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過程中給予的建議和幫助。

【參考文獻】

[1]ANSYS手冊，ANSYS 7.0.ANSYS公司.2003.6.

[2]ICEM CFDV4.3.1手冊.ANSYS公司.2003.12.

[3]ANSYS CFX5.7手冊.ANSYS公司.2004.6.

[責任編輯：朱麗娜]