A novel approach for predicting inlet pressure of aircraft hydraulic pumps under transient conditions

Cavitation caused by insufficient suction is a major factor that influences the life of aircraft pumps. Currently, pressurizing the tank can solve the cavitation problem under steady large-flow conditions. However, this method is not always effective under transient conditions (from zero flow to full flow in a very short time). Moreover, to apply and design other measures, such as a boost impeller, the suction dynamics during the transient period must be investigated. In this paper, a novel approach based on the pressure wave propagation theory is proposed for predicting the inlet pressure of an aircraft pump under transient conditions. First, a dynamic model of a typical aircraft pump is established in the form of differential equations. Then, the transient flow model of the inlet line is described using momentum and continuity equations, and the governing equations are discretized by the method of characteristics and the finite difference method. The simulated results are in good agreement with the results from verification tests. Further simulation analysis indicates that the wave velocity and transient time may influence the inlet and reservoir pressure as well as the size of the inlet line. Finally, solutions for upgrading the inlet pressure are discussed. These solutions provide guidelines for designing inlet installations.     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

基于代理模型的航空燃油泵空化性能分析

基于代理模型的整体敏感度分析方法,对影响燃油泵空化性能的结构参数（即诱导轮出口安放角和叶轮进口安放角）进行了分析,得到影响泵空化性能的主要因素,并对燃油泵的结构参数进行了优化。研究中,采用基于旋转修正的k-ε湍流模型及Zwart空化模型对优化前后的燃油泵空化流场进行了计算。结果表明：在一定变化范围内,叶片安放角对燃油泵的外特性影响较小,对燃油泵空化特性影响较大;其中,叶轮进口安放角对燃油泵空化性能有较大影响,随叶轮进口安放角的增大,燃油泵空化性能呈先下降后上升的变化趋势;优化后诱导轮出口安放角和叶轮进口安放角分别增大了4.4°和3.2°,满足Pareto最优解,燃油泵的空化性能较优化前提高了18%左右。     

前置不同诱导轮高速离心泵旋转空化特性研究

以高速诱导轮离心泵为研究对象,开展了无诱导轮、前置等螺距诱导轮、前置变螺距诱导轮及前置分流叶片诱导轮4种情况下离心泵全流道的空化数值模拟和汽蚀特性实验研究.通过外特性实验研究得到:在同一流量下,前置等螺距诱导轮离心泵的扬程最低,前置变螺距诱导轮离心泵的扬程次之,前置分流叶片诱导轮离心泵的扬程较两者稍高.通过汽蚀实验和数值模拟研究得到:在前置3种诱导轮的情况下,离心泵的汽蚀性能都得到了改善,其改善效果从低到高依次是:变螺距诱导轮、分流叶片诱导轮、等螺距诱导轮.通过对汽相体积分数分布情况的研究得到:诱导轮的吸力面除进口外缘容易发生汽蚀外,叶片出口靠近轮毂侧也较容易发生汽蚀;对比分析主叶轮和诱导轮的汽蚀情况,得到诱导轮汽蚀的严重性与离心叶轮的汽蚀严重性并非成正比的结论.     

诱导轮形状对汽蚀特性的影响

作者通过对两个叶片的平板螺旋形诱导叶轮的汽蚀特性和叶轮内空泡发展进行了测试和可视化观察, 发现随着吸入压力的降低, 两个叶片上原来同样发展的空泡之间有时会失去平衡, 出现一个叶片的空泡急剧缩小, 而另一个叶片空泡随之增大, 这种交错叶片空泡现象, 并有可能导致扬程的急速下降。在此基础上, 作者进一步对叶片数, 叶片长度不同的 4种诱导叶轮进行了测试, 弄清了叶轮几何形状对上述现象发生和汽蚀性能的影响, 并对其原因作了初步的探讨。      

幂律流体物性参数及叶型几何对离心泵湍流流动的影响

详细阐述了颗粒拟温度方程,计算了不同型线的叶轮及改变幂律流体物性参数对湍流流动的影响。计算结果表明,叶轮吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的,而且靠近壁面处的大于叶道中的。颗粒拟温度可探讨性地成为叶片磨损程度的衡量指标之一。从减轻叶片磨损角度来讲,双圆弧型线比单圆弧的好,叶片出口角小的比出口角大的好。这对改进适应两相流的叶轮设计,具有重要的指导意义和应用价值。      

液氧煤油补燃发动机起动过程氧预压泵加速起旋方案研究

为降低液氧煤油补燃发动机起动所需入口压力,需解决起动过程氧预压泵起旋迟缓产生附加阻力导致主泵入口压力过低而发生断裂汽蚀的问题。开展了两种预压泵加速起旋方案研究,分别为已工程应用的液氧涡轮方案和本文提出的氦起动涡轮方案。对比介绍了两种方案对发动机气液系统和预压泵结构的影响。建立了预压泵加速起旋相关的数学模型,针对加速起旋机理、效果和影响因素等进行了仿真分析。结果表明:液氧涡轮方案,预压泵结构变化较小,为提升加速起旋效果,涡轮供应路应尽量增大通径、缩短长度,降低动态流阻和静态流阻,涡轮喷嘴流通面积则需根据其对涡轮流量和压降的综合影响来选择。氦起动涡轮方案,预压泵结构和流路变化较大,起动涡轮速比和效率是降低氦气用量的限制性因素。     

传热对微型离心叶轮间隙泄漏流动影响的数值研究

针对某微型燃气轮机的微型离心叶轮,采用三维数值模拟方法,将绝热壁面情况和考虑传热影响情况下的叶轮性能和内部流场进行对比研究,重点分析壁面传热情况对微型离心叶轮间隙泄漏流动的影响.研究发现:传热对叶轮性能的影响主要集中在其对间隙泄漏流的作用上.绝热条件下间隙泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游发展,传热则使得间隙泄漏流动迹向相邻叶片压力面偏转,增强间隙泄漏流与主流的掺混导致间隙泄漏流损失增大.与绝热情况相比,传热虽然在一定程度上减弱了叶片通道内的压力梯度,但由于热量的传入会导致间隙泄漏流初始堵塞增大,最终仍会在叶片通道内造成更大的间隙泄漏流堵塞.     

低比转速泵叶轮流道内部流动的PIV试验

介绍了粒子图像测速仪(PIV)、泵试验装置和试验方案.采用PIV技术,对3种流量下叶轮流道内部3个不同测量平面上的流动进行了试验研究,获得了速度矢量分布.探讨了速度分布沿叶轮周向和轴向的变化规律以及流量对速度分布的影响.结果表明,随着流量的减小,吸力面速度略有减小,压力面速度变化较为明显,当流量达到额定流量的0.6倍时,在压力面附近存在回流现象;在叶轮出口处,流量对相对速度方向没有明显影响;叶轮流道内部速度沿轴向分布均匀,绝对速度沿半径方向呈增加趋势,无量纲绝对速度的周向分量v_u/v从压力面到吸力面呈下降趋势,且随流量的减小而增大.研究结果为叶轮设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴.      

航空发动机滑片泵数值模拟

利用计算流体力学软件Star-cd二次开发功能模拟了某一航空发动机滑片泵的内部流场,分析了计算中是否引入空化模型对计算结果的影响,以及滑片泵定子和滑片间隙大小对滑片泵性能的影响,预测了不同工况下,滑片泵内出现空化的位置和区域大小.计算结果表明:由于滑片泵叶片转动,从而引起空化区域范围的缩小和增大,泵油量也相应地增加和减小,使得滑片泵进口瞬时流量较为平稳,而出口瞬时流量有较大的脉动,进、出口周期平均流量与计算总平均流量的误差小于1.5%,计算总平均流量与该滑片泵样件的台架实验测试结果之间的误差小于3%;滑片泵转子叶片与定子壁面间隙增大,泄漏量增加,滑片泵的平均流量减小;间隙为0.07mm的滑片泵计算总平均流量相对于间隙为0.02mm的计算总平均流量减小3.1%.从计算结果可以推断,滑片泵的进口流道应与吸油腔正对,可以减少进口流道内空化区域和流动阻力.      

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。     

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。     

提高氧泵诱导轮汽蚀性能的方法研究

利用计算流体力学(CFD)技术对某氧泵诱导轮进行了入口壳体开槽的汽蚀性能的研究,分析和采用了双圆弧进口方案.在流场计算研究中,分析了无汽蚀条件下叶片前缘的负荷,然后进行了诱导轮汽蚀性能的计算.流场计算结果表明,采用的改进方案在保证扬程和效率基本不变的情况下,能够很大程度上降低叶片前缘负荷,提高诱导轮汽蚀性能.      

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

1引言随着宇航技术的飞速发展,液体火箭发动机的燃料剂和氧化剂离心泵向高压、高速、高效化发展。为了减轻泵的重量,使结构紧凑,提高泵的功率密度,离心泵的单级扬程和转速要高,因此其比转速较低。但比转速较低的离心泵效率也较低,而且很容易出现小流量工作不稳定性。因此设计具     

水力脉冲射流特性室内实验和数值模拟

水力脉冲射流是提高深井机械钻速的一种经济有效的方法,在分析水力脉冲空化射流发生器调制脉冲射流机理的基础上,采用室内实验和数值模拟两种方法对水力脉冲空化射流发生器所产生的脉冲射流特性进行了研究。着重研究了入口流量和叶轮叶片结构对该工具产生的脉动压力振幅的影响。室内实验和数值模拟结果表明：在同一叶轮结构下,随着入口流量的增大,脉动压力振幅呈增大趋势。在同一排量下,采用3叶片叶轮结构的工具调制出脉冲射流的脉动压力振幅较大。因此建议在现场试验条件允许的情况下尽可能地增大泵的排量,并且重点对3叶片叶轮结构的工具进行现场试验研究。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

基于改进Bezier曲线的复合叶轮式离心泵参数化设计及性能仿真

针对复合叶轮式燃油离心泵的高效设计问题,提出一种基于改进Bezier曲线的叶轮参数化设计方法,并进行了试验验证及性能仿真分析研究。通过引入比例系数来约束五点四次贝塞尔样条曲线的控制点参数,进而采用该改进的Bezier曲线方法完成叶轮的轴面轮廓型线设计。结合一级辅助叶片偏置设计方法,完成复合叶轮的参数化设计。基于上述方法,以某型燃油离心泵为例进行设计及三维建模。最后,通过外特性试验验证设计方法和仿真方法的有效性,并对所设计的复合叶轮式离心泵与普通叶轮离心泵进行性能仿真对比分析。结果表明：仿真与试验预测的扬程和效率结果基本吻合,所提出的设计方法和采用的仿真方法能够有效完成复合叶轮式燃油离心泵的参数化设计和性能仿真。此外,相比普通叶轮离心泵,复合叶轮式燃油离心泵压力分布相对均匀,无明显的流动损失,且进口流动有利于抗汽蚀性能。     

环形腔室径向宽度对加力燃油泵内流及性能影响

对某加力燃油泵内部非定常流动开展了系统的数值模拟,研究了不同环形腔室径向宽度条件下泵的外特性和内流特征.计算结果表明,缩小径向宽度可有效提高泵在不同流量下的扬程,且小流量工况增幅显著高于大流量,明显改善了小流量工作的不稳定性.对于大流量工况,环形腔室截面变小导致腔室内循环流量降低、沿程损失明显减小,是泵出口扬程提高的主要因素;而对于小流量工况,环形腔室截面变小使得扩散管主流贴近环形腔室,显著降低了叶轮流道扬程损失,有效提升了泵出口扬程.      

熔盐泵盐析两相流冷态模型试验和数值研究

为了揭示熔盐泵内盐析两相流动的规律,采用白金汉定理,建立了熔盐泵输送固液两相流的相似准则,根据所设计的熔盐泵模型试验方案,对熔盐泵内部流动进行了数值模拟,采用高速摄像技术捕捉了泵内的盐析两相流动,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别。研究了颗粒直径和密度对熔盐泵外特性和内部流动的影响。结果表明:数值模拟结果和试验结果之间的误差小于10%。叶轮流道出口处颗粒的绝对速度从叶片的压力面到吸力面逐渐减小。分析得到了叶轮内固相和液相的速度三角形之间的关系,当颗粒的密度大于液相的密度时,颗粒绝对速度沿圆周方向的分量小于液相。进一步分析得到了叶轮出口处密度分别为2000、2250、2500、2750、3000kg/m3的颗粒的运动速度三角形之间的关系,颗粒密度越大,叶轮出口绝对速度沿圆周方向的分量越小,泵的扬程越小。