带有轴流螺旋级的模型诱导轮中的非定常流动和压力脉动（英文）

为了研究提高离心泵抗气蚀性能的措施,以抑制作用在泵过流区域的压力脉动、振动和动力载荷,减轻空化气蚀造成的重复使用液体火箭发动机涡轮泵损伤,满足泵的高转速、低入口压力、减小尺寸和重量等技术要求,采用计算流体力学软件,对轴流式诱导轮和带有轴流螺旋级的诱导轮进行了非定常压力脉动和气蚀性能的三维仿真计算研究。结果表明,与单一的轴流式螺旋诱导轮相比,带有轴流式螺旋级的诱导轮能够改善泵的气蚀特性,气蚀系数提高了25%,初始气蚀系数提高了30%,诱导轮出口位置的叶片通过频率压力脉动得到了抑制。     

带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟

以带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵为研究对象,开展了该型离心泵性能数值模拟研究.通过数值模拟结果与试验数据的对比,验证了基于Pumplinx下该型离心泵性能仿真的正确性;通过分析离心泵轴向与径向中间截面的压力分布研究内流场特性,并在该泵最差气蚀工况下的分析了气蚀特性,给出完全气蚀状态下的气液两相分布以及预测了离心泵的Δh-H特性曲线.研究表明:带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟的扬程效率以及气蚀特性曲线与试验数据吻合.在小流量工作范围下内流场压力分布均匀稳定,增压效果明显;当进口压力为0.018MPa时产生完全气蚀状态,小于技术要求最小进口压力0.027MPa,因此该泵的工作要求范围下不会产生气蚀现象.      

液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀分析

超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀是液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀现象的两种类型。为了揭示它们之间的差异,完成了Tsujimoto旋转汽蚀计算模型的理论求解,开展了旋转汽蚀现象的数值计算。结果表明,旋转汽蚀两种类型发生时,质量流量增益系数M都发生周期性变化。当超同步旋转汽蚀发生时,M>0;而当次同步旋转汽蚀发生时,M值的变化范围更广。由于在设计工况点附近,通常有M>0,因此在多数情况下很难观测到次同步旋转汽蚀。     

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

螺旋诱导轮在高性能离心泵中的应用

螺旋诱导轮是一种结构新颖而性能优良的流体装置，深入研究该装置对于改进现有液压泵的性能有重要的意义。结合某型航空螺旋离心泵，本文深入研究了螺旋诱导轮在高性能离心泵中的作用，对螺旋诱导轮的内部流动进行了计算．分析了其结构和工作原理；同时，针对螺旋诱导轮的特殊结构，深入分析了它的预旋和预增压作用，以及自身良好的抗汽蚀性。研究结果表明，通过增加螺旋诱导轮能够有效提高离心泵的扬程和抗汽蚀性能。     

超临界二氧化碳多槽型干气密封泄漏流动与动力特性研究

针对超临界二氧化碳（SCO₂）旋转机械面临的严重泄漏、气流激振引发转子失稳等问题，以美国通用电气公司10MWe SCO₂循环中高压涡轮的轴端密封为研究对象，设计了螺旋角15°和30°的螺旋槽、T型槽和ST型槽的四种槽型结构的干气密封。采用基于动网格技术和非定常CFD数值方法的微尺度摄动模型，研究了在实验边界条件下干气密封的稳态性能及在轴向简谐微扰动下SCO₂涡轮轴端干气密封的非稳态动力学特性。对比分析了3种动压槽深度、2种动压槽角度下的干气密封泄漏量、静态气膜刚度、动态气膜刚度和阻尼系数。研究表明：四种槽型均满足泄漏流量的设计要求。随着动压槽深度的增加，干气密封开启力与泄漏流量均增大。ST型槽干气密封有着较大的气膜刚度和刚漏比，同时其在面对轴向微尺度摄动时最为稳定，是综合性能最优秀的干气密封结构。     

液体火箭发动机诱导轮空化热力学效应研究

为了研究空化热力学效应,以模型诱导轮为研究对象,改变流量、水温等条件,对其内部空化流动进行了可视化实验研究,完整记录了从空化初生至性能断裂点各工况的空化区形态。结果表明:温度对诱导轮无空化水力性能没有显著影响,但是高温下诱导轮的空化性能断裂点被显著延后,体现了热力学效应的影响。对比不同温度下的空化区形态,发现热力学效应的强弱与流动工况密切相关,在小空化数下体现得更为显著。同时引入一种半经验的理论模型预测热效应对空化性能的影响,小流量(Φ=0.071)下预测结果与实验结果平均偏差为5.5%,大流量(Φ=0.088)下平均偏差为10.8%,验证了模型在本文应用条件下的可靠性。     

液体火箭发动机高转速诱导轮旋转空化

诱导轮是提高液体火箭发动机泵抽吸性能的重要部件,而高速诱导轮中出现的旋转空化现象有时会严重影响涡轮泵的正常工作。利用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对某诱导轮2D叶栅中的非定常空化流动进行了计算,模拟了迁移速度比约为1.0~1.4的旋转空化现象,并对其内在机理进行了分析。通过水力实验,利用非稳态信号时-频谱分析技术,捕捉到多种工况下旋转空化的动力学特征,同时观测得到该非定常现象的发生区间和其它特性。     

一体式诱导轮与叶轮航空离心泵汽蚀特性研究

为研究一体式诱导轮与叶轮航空燃油离心泵的汽蚀特性,对该型离心泵进行了汽蚀特性研究。首先在泵的设计中进行了汽蚀特性理论计算;进而通过CFD软件Pumplinx对该型号泵进行了汽蚀性能数值模拟,研究了最差汽蚀工况下的汽蚀特性;然后针对不同汽蚀余量值给出离心泵不同状态下的气液两相分布;最后对离心泵的流量-临界汽蚀余量曲线进行预测,并与理论计算值、试验数据进行对比。研究表明,当进口压力为0.013177MPa时,一体式诱导轮与叶轮航空燃油离心泵产生临界汽蚀状态,小于技术要求最小进口压力0.0325MPa,因此该泵在其工作范围内不会产生汽蚀现象。不同流量下离心泵理论计算与数值模拟的汽蚀特性曲线与试验数据吻合,满足高汽蚀特性需求。     

基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化

采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究，梯度由连续伴随方法计算确定，多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先，采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后，在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化，通过优化叶型和安装角降低流动损失，目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差，优化中对流量进行约束。最后，开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究，改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明，基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。     

Experimental investigation of cavitation instabilities in inducer with different tip clearances

To investigate the effect of tip clearance size on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments have been conducted in a newly developed visualization test facility using room temperature water as working fluid. The pressure fluctuations near the tip region were collected, and the cavity structures under various conditions were documented by a high-speed camera. It is found that large tip clearance distinctly reduces both the non-cavitation and cavitation performance. Three cavitation instabilities, super-synchronous rotating cavitation, synchronous rotating cavitation and cavitation surge have been carefully identified through combination of cross-correlation analysis of pressure signals and visualization results. Large tip clearance displays a remarkable stabilization effect on pressure fluctuation, cavitation surge totally disappears, and the range of occurrence of synchronous rotating cavitation becomes smaller for the large tip clearance, whereas super-synchronous rotating cavitation only occurs in the large tip clearance. The cavitation areas are smaller at large tip clearance, while the flow channels are more seriously choked when cavitation occurs heavily in comparison with those at small tip clearance, which may be responsible for the worse cavitation performance.     

Experimental investigation of thermal effect on cavitation characteristics in a liquid rocket engine turbopump inducer

The objective of this paper is to investigate the effect of water temperature on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments at different temperatures have been conducted in a newly developed visualization test facility. It is found that higher temperature shows little influence on the non-cavitation performance and breakdown characteristic in the investigated range. The relationship between cavitation development and pressure fluctuation has been discussed in detail. Higher temperature displays a remarkable stabilization effect on the cavitation excited pressure. In particular, the inception cavitation numbers of both the super-synchronous rotating cavitation and synchronous rotating cavitation are decreased at higher temperatures, and the corresponding frequencies are not affected, while the amplitudes are distinctly reduced, and the occurrence range of synchronous rotating cavitation is significantly narrowed. A generalized Rayleigh-Plesset equation has been employed to account for the thermal effect on the bubble development, which may provide a deep insight in understanding the experimental results. Thermal effect is found to act as a remarkable dissipation mechanism to suppress the bubble growth, smooth the collapse. In particular, the excited pressure during collapse is smaller at higher temperatures, which may lead to the stabilization effect of high temperature in this study.     

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。      

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。     

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.      

基于正交优化设计的诱导轮空化性能研究

为了研究不同结构因素对诱导轮空化性能的影响及主次顺序,基于正交优化设计,采用数值模拟的方法,通过诱导轮可视化试验进行验证,对某型诱导轮及其改型进行了分析。仿真计算得到的不同空化数下空穴形态与实验结果吻合较好,断裂空化数的计算结果与实验结果误差为0.3%。仿真及实验结果表明,诱导轮发生扬程断裂不仅与空穴区占流道体积的大小有关,还与空穴区在流道中分布的位置有关,空穴区位置越靠后,越容易发生扬程断裂;对诱导轮空化性能及水力效率影响最大的结构因素为入口安放角,其次为入口修圆包角;入口等螺距段长度和变螺距段长度较小时可以提高诱导轮的空化性能。     

Unsteady Flow and Pressure Pulsations in a ModelAxial-Vortex Stage Inducer

In consideration of improving cavitation capacity of centrifugal pump to inhibit pressure pulsations, vibrations and dynamic loads in flow passing areas, alleviating damages of reusable liquid rocket engine turbo-pumps caused by cavitation erosion and satisfying the requirements of high rotation speed, low inlet pressure, small sizes and light weight, three dimensional simulations of unsteady pressure pulsation and cavitation capacity are carried out to a single screw inducer and an inducer with axial-vortex stage utilizing CFD methods. The results show that compared with single screw inducer, inducer with axial-vortex stage has 25% higher cavitation coefficient, 30% higher initial cavitation coefficient and lower pressure pulsation of blade passing frequency in the outlet of inducer, which all prove that cavitation capacity is obviously ameliorated.