發動機氧泵后流場數值仿真研究

裴曦，高玉閃，張曉光

(中國航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

發動機氧泵后流場數值仿真研究

裴曦，高玉閃，張曉光

(中國航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

發動機氧泵至燃氣發生器段的流場結構直接影響著發動機的工作性能，從理論上分析氧泵后是否需要設置整流柵以調整流場，對發動機總體設計十分必要。針對氧泵后流場的特點，借助CFD計算手段，對該段流場進行有整流柵和無整流柵兩種情況的數值模擬，計算得到流阻、發生器入口處的總壓均勻度、氧閥流量均勻度以及閥芯受力情況。結果表明：氧閥后設置整流柵是有必要的。

整流柵；CFD；流場；氧化劑供應系統；液體發動機

0 引 言

通過上述對國外已有發動機的分析可以看出，氧主閥上游的旋流葉輪、管式擴壓器、蝸殼、90°彎管等均可視為擾流部件，它們使得流體產生撞擊、分離脫流、漩渦等現象，在整流柵進口形成復雜的流動參數分布形態，可能導致：①下游組件流阻增大；②發生器入口流量分布不均，影響發生器噴注器的混合比和發生器出口流場溫度的均勻性[9-10]。

為了評估氧泵后設置整流柵對流場的影響，需要對氧泵至燃氣發生器入口處進行全流場仿真，本文通過CFD手段對整個計算域進行數值模擬，得到氧路流場特性及組件的工作性能，對計算所得的物理量進行評估，評判是否有必要設置整流柵。

1 數學物理模型

1.1 物理模型

為了能夠精確地模擬氧泵后的流場，選取包括渦輪氧泵、泵后總裝管路、氧主閥以及氧閥后總裝管路的模型，如圖1所示。

整流柵采用平板多孔結構，設計時兼顧整流效果與自身流阻，孔的進出口均設有導向錐，并與中心圓柱段圓弧轉接。實際使用時，整流柵通過螺紋旋入氧泵出口管。

1.2 計算網格

采用六面體和四面體網格填充計算域，網絡示意圖如圖2所示。

那天晚上，石屋之外的范堅強，同樣無法平靜。他在石屋外擺了一張小幾，一個人默默地喝酒。墨鏡男悄無聲息地走了過來：“老板，您還喝？”范堅強放下手中的酒杯，說：“你也來陪我喝幾杯。”男子不動?！白?，你坐。”范堅強舉起酒杯，騰出中指指了指旁邊，卻發現沒有凳子，便說：“你去搬一張過來?！狈秷詮娪职驯臃畔拢c燃煙斗，抽了一口。

case 1表示無整流柵時的流道狀態，網格數量為670萬；case 2表示有整流柵時的流道狀態，網格數量為990萬。

1.3 數學模型

基于FLUENT流體計算平臺開展三維定常不可壓湍流流動計算。選取Pressure Based求解器，湍流模型采用RNGk-ε兩方程模型，近壁處理采用標準壁面函數。采用多重坐標系模型，將誘導輪、離心輪等旋轉區域的流體定義在非慣性坐標系下，轉速為10 000 r/min；靜止區域的流體定義在慣性坐標系下，在旋轉區域與靜止區域的交界面上采用混合界面法處理動靜耦合流動的參數傳遞。采用流量進口邊界，流量為995.5 kg/s，靜壓為2.01 MPa，溫度為126.7 K。出口設為壓力出口，壁面絕熱無滑移。液氧密度為1 088 kg/m3，定壓比熱為1 527.8 J/(kg·K)，導熱系數為0.148 W/(m·K)，粘性系數為1.592×10-4Pa·s。

2 計算結果及分析

2.1 定常計算

case 1和case 2流道特征截面的總壓分布及面流線分布對比如圖3～圖4所示，二者的流道流線對比如圖5所示?？倝旱戎稻€的疏密程度用來表征總壓梯度的大小，總壓等值線越密，表示總壓梯度越大，反之，則越小。流線的疏密程度用來表征速度及流量的大小，流線越密，表示速度及流量越大，反之，則越小。

從圖3～圖5可以看出：case 1氧閥進口呈現典型的彎管二次流反向對稱雙渦旋，即迪恩渦[3]；氧閥內部流道內側流速快、流量大，而外側流速慢、流量?。籧ase 2由于設置了整流柵，其氧閥進口的總壓及速度矢量分布變得均勻，流線之間的夾角顯著減小，表明氧閥內部的流態得到明顯改善，氧閥流道四個象限的流量均勻性顯著提高。

case 1和case 2的氧化劑路流阻情況對比如表1所示，可以看出：安裝了整流柵后(case 2)的流阻減小了0.237 MPa，即改善了氧泵后流場的流阻狀況。

表1 case 1和case 2的氧化劑路流阻情況對比

綜上所述，理想的整流柵應能夠為下游提供均勻的直線流動，并對流阻有一定的改善作用。

2.2 非定常計算

氧化劑系統的動態特性對發動機的穩定工作具有重要作用，液氧流量的變化會對發生器內壓力產生較大影響，當發生器內壓力脈動與液氧壓力脈動相互耦合時，會對發生器系統的穩定性產生較大影響，因此需要對液氧系統的壓力脈動進行研究。非定常計算時，時間步長取5e-5s，計算時間為葉輪旋轉14個周期。監測點如圖6所示，point 1位于蝸殼出口管隔舌位置圓截面中心，point 2位于泵出口彎管后端面圓心，point 3位于節流閥出口端面圓心。

將最后6個轉動周期的壓力脈動數據做傅里葉頻譜分析，結果如圖7所示。

從圖7可以看出：整流柵對各監測點的壓力脈動頻率幾乎沒有影響。

對監測到的壓力脈動數據做均方差計算，公式為

(1)

(2)

計算結果如表2所示。

表2 有無整流柵時各點壓力脈動比較

從表2可以看出：整流柵的設置使得各監測點的壓力脈動均有所降低，point 1、point 2和point 3三點的壓力脈動分別降低了68 176、76 947和77 001 Pa。

3 結 論

(1) 整流柵的設置改善了氧閥內部的流態，提高了流量均勻度，且降低了流阻。

(2) 整流柵對各監測點的壓力脈動影響有限，但是從壓力脈動均方差數據來看，整流柵的設置使得各監測點的壓力脈動均有所降低。

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(編輯：馬文靜)

Numerical Simulation of the Flow Field of Engine Liquid Oxygen Pump Housing

Pei Xi, Gao Yushan, Zhang Xiaoguang

(The Eleventh Research Institute, The Sixth Academy of CASC, Xi’an 710100, China)

The flow field structure from engine oxygen pump to the gas generator directly influences the working performance of engine. It is necessary to theoretically analyze whether it is needed to set up perforated distribution plate after the oxygen pump to adjust the flow field. According to the characteristics of flow field after oxygen pump, by using the CFD method, the numerical simulations are made for the two flow fields-with and without perforated distribution plate. The flow resistance, the total pressure at the entrance of generator evenness, oxygen valve flow uniformity and the valve core force are calculated. Results show that it is necessary to set up the perforated distribution plate after oxygen valve.

perforated plate; CFD; flow flied; system of oxygen supply; liquid engine

2017-02-09；

2017-03-30

裴曦,peixi5297556@163.com

1674-8190(2017)02-244-05

V238

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.02.018

裴 曦(1984-)，男，博士，工程師。主要研究方向：發動機總體設計。

高玉閃(1983-)，男，博士，高級工程師。主要研究方向：發動機總體設計。

張曉光(1987-)，男，博士，高級工程師。主要研究方向：發動機總體設計。