活塞往復泵內流場非穩態數值模擬

黃啟龍，李進賢，鄭 亞，楊孟夏

(西北工業大學 航天學院，西安710072)

空間推進系統常采用擠壓式輸送方式，推力室壓強通常在1 MPa左右，導致推進劑比沖較低。而小尺寸離心泵的黏性損失會降低泵的效率［1］。目前的一個解決方案是用小型的活塞往復泵對推進劑進行增壓輸送。美國LLNL實驗室研制的活塞往復泵質量為300 g，輸出壓力可達6 MPa［2－4］。往復泵在石油化工等領域應用已十分廣泛。將往復泵用在空間推進系統中代替擠壓式系統可以改善整個推進系統的性能。

本文基于動網格技術，對往復泵液缸和單向閥閥腔內流體輸送過程進行非穩態數值仿真，得到了往復泵內部的流動狀態、壓強變化規律和結構參數對往復泵平均流量的影響。

1 幾何模型與工作原理

圖1是活塞往復泵的結構示意圖，雙缸呈對稱結構，主要由液缸、汽缸、活塞及閥門組件等構成。

圖1 雙缸往復泵結構示意圖

推進劑在貯箱的箱壓作用下流經往復泵，經過往復泵增壓后輸送至推力室，由少量推進劑產生的熱燃氣注入往復泵汽缸，實現對活塞的驅動。活塞擠壓推進劑使泵出口單向閥打開，同時入口單向閥關閉，防止推進劑倒流。活塞返程時由流進液缸的推進劑做功推動活塞使燃氣排出。雙活塞交替運動，有利于實現推進劑流量恒定。

2 往復泵內流場數值仿真

2.1 計算模型

選雙缸往復泵單側二維流場進行動態模擬。流場計算區域如圖2所示，其中:d為活塞直徑;s為活塞行程。運動邊界包括活塞壁面和單向閥閥體。假設活塞運動過程中前半程勻加速，后半程勻減速，閥芯勻速開啟與閉合。使用UDF文件同時控制活塞壁面與閥芯的運動。

圖2 往復泵內流場

采用Fluent軟件的二維單精度非穩態求解器以及分離式SIMPLE算法計算，離散方程選用二階迎風格式。

2.2 數學模型

假設流體為不可壓縮流動，忽略重力影響，且泵內為非定常流動。流體在往復泵內部二維流動的控制方程為:

式中:ρ為流體密度;ux、uy分別為流體沿x軸、y軸方向的速度分量;p為流體壓強;μ為動力黏度。

2.3 網格劃分

根據泵內流場特點采用結構化網格與非結構化網格相結合的劃分方式，如圖3所示。因為液缸流場形狀規則，且活塞移動方向垂直于邊界，所以采用結構化網格有利于網格的動態更新。而在單向閥閥芯運動區域，由于流場形狀不規則，所以采用非結構化網格劃分。

動網格更新方法采用動態層法和局部重劃法。液缸內結構化網格由動態層技術更新。單向閥閥區的非結構化網格采用局部重劃法更新。與動態層法不同的是該方法將與運動邊界相連的網格重新劃分，而不是簡單地增加網格層［5］。

圖3 往復泵網格劃分

2.4 邊界條件

1)出口邊界條件。

往復泵出口聯通工作負載，其出口為壓力邊界條件(Pressure-oulet)，取出口負載為5 MPa。

2)流體性質。

選取肼作為流體，密度ρ=1 013.1 kg/m3，動力黏度μ=1.044 0×10－3Pa·s。

3)壁面邊界條件。

液缸壁面設置為變形(deforming)，活塞壁面與單向閥閥芯設置為剛性體(rigid body)。

3 仿真結果與分析

3.1 往復泵內壓強建立過程

對往復泵活塞直徑3～6 cm、行程1.5～3 cm、運動頻率為8、10、12 Hz的組合工況進行模擬。圖4給出的是活塞及單向閥運動過程中流場不同時刻的壓強等值線。往復泵活塞從右極限位置到左極限位置的運動時間為50 ms(活塞運動頻率10 Hz)。可以看出0～25 ms時刻活塞壁面向左做勻加速運動，同時單向閥開啟，泵內壓強升高，泵出口壓強較為平穩，單向閥兩端壓差在逐漸增大。這是由于活塞的勻加速運動使流速增加，相比閥芯的運動速度及閥門開度，質量流量依然呈增大趨勢，導致閥兩端的壓差也在增大。從25～50 ms時刻活塞壁面向左做勻減速運動，單向閥關閉，泵內壓強逐漸降低，單向閥兩端壓差逐漸減小。47.5 ms時活塞接近左極限位置，運動速度已大幅降低，泵出口回流顯著增加。這說明單向閥作用明顯，在活塞停止運動時單向閥關閉，有效阻止了回流。

圖4 內流場壓強等值線

圖5給出的是活塞在8、10和12 Hz運動頻率下，泵內的壓強建立過程。由圖5可見:當結構參數一定時，頻率越高增壓過程越迅速，所能達到的極限壓強也有所增大。而往復泵的壓強變化過程整體呈階躍式變化，如果要實現對推進劑的恒定增壓，就需要雙缸甚至多缸的配置，讓往復泵活塞交替運動。

圖5 不同頻率時泵內壓強隨時間的變化

3.2 雙缸往復泵壓強特性

當推進系統穩態工作時，只有往復泵壓強的平穩輸出才能保證下游推力室的推力不會產生波動。往復泵的脈動式工作特點，使其工作頻率對壓強輸出的影響較為顯著。圖6～8為雙缸往復泵不同工作頻率時的壓強輸出特性。如圖所示，往復泵工作頻率較低時，其壓強輸出較為平穩。由于此時往復泵活塞運動速度低，其變速運動帶來的輸出壓強差減小，且活塞運動周期變長，使得往復泵輸出壓強的波動較小。但當泵結構不變時，較低的頻率會降低往復泵的流量。在滿足額定流量的條件下，選用較低的頻率有利于實現壓強的平穩輸出。

3.3 雙缸往復泵流量特性

由于活塞的變速運動，往復泵的流量會隨時間不斷變化。但使用者往往關心的是在一定時間內往復泵所輸送的液體體積或質量，這就需要研究往復泵的平均流量［6］。圖9～11分別為雙缸活塞運動頻率8、10和12 Hz時，1 s內往復泵流量隨結構參數的變化情況。流量與活塞直徑、行程和頻率均成正比關系，并會隨行程的增加而線性遞增。

圖9 頻率8 Hz時平均流量隨結構參數的變化

4 結論

1)通過數值計算，可以看出往復泵在輸送推進劑時，壓強建立迅速，增壓效果明顯。

2)液缸出口配有單向閥的設計有效阻止了下游管路的回流，不會使推進劑的回流干擾泵內流場。

3)雙缸甚至多缸設計的往復泵有利于壓強的平穩輸出，且較低的工作頻率有助于降低輸出壓強的波動。

4)往復泵的結構參數及液缸數量可對泵的平均流量產生較大的影響。

［1］Whitehead J C.Hydrogen peroxide gas generator cycle with a reciprocating pump［R］.［S.l］:AIAA，2002.

［2］Whitehead J C.Pumped hydrazine miniaturized propulsion system［R］.［S.l］:AIAA，1989.

［3］Frei T E，Maybee J C.Recent test results of a warm gas pumed monopropellant propulsion system［R］.［S.l］:AIAA，1994.

［4］Whitehead J C.Pump fed propulsion for mars ascent and other challenging maneuvers［R］.［S.l］:NSTC，2007.

［5］ 張志榮，冉景煜.內燃機缸內氣體CFD瞬態分析中動態網格劃分技術［J］.重慶大學學報，2005，28(11):97－100.

［6］ 朱俊華，戰長松.往復泵［M］.北京:機械工業出版社，1992.