環(huán)形槽對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響研究

王 玨，陳 曉，畢辰宇，崔 壘，李家文

環(huán)形槽對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響研究

王 玨1，陳 曉2，畢辰宇3，崔 壘4，李家文3

（1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076；3. 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京，100191；4. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

為了研究環(huán)形槽對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響，以帶環(huán)形槽的誘導(dǎo)輪為研究對(duì)象，采用Standard-湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型開展仿真計(jì)算，并進(jìn)行了相似工況下的可視化試驗(yàn)。結(jié)果表明，安裝環(huán)形槽后，誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程略有降低，但旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，并且在更低的空化數(shù)條件下誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程基本保持穩(wěn)定。環(huán)形槽通過增強(qiáng)誘導(dǎo)輪的葉尖回流，改變了誘導(dǎo)輪入口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力分布，使流場(chǎng)中的低壓區(qū)向誘導(dǎo)輪流道中部和槽體后緣轉(zhuǎn)移，從而改變了氣穴區(qū)初生的位置，也抑制了旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象。受離心力作用，氣穴區(qū)向環(huán)形槽流道發(fā)展，推遲了誘導(dǎo)輪流道的堵塞時(shí)間。

誘導(dǎo)輪；環(huán)形槽；空化；仿真計(jì)算

0 引 言

航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵提出了高速、高壓、輕質(zhì)量的性能要求[1]。為了減輕貯箱的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，安裝在泵前的誘導(dǎo)輪需要工作在較低的入口壓力條件下，容易發(fā)生空化問題[2-3]?？栈瘯?huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)輪流道堵塞，影響泵的正常工作[4]，還會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空化、空化喘振等空化不穩(wěn)定問題，使誘導(dǎo)輪承受脈動(dòng)壓力，引起軸振動(dòng)[5-7]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)射失敗[8]。

近年來，為了提高誘導(dǎo)輪的空化性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。Bakir等[9]研究了不同入口邊形狀對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響，發(fā)現(xiàn)入口邊形狀通過改變?nèi)~尖的回流渦結(jié)構(gòu)來影響氣穴分布；Kim等[10]在誘導(dǎo)輪上游安裝環(huán)形擋板，成功抑制了空化喘振現(xiàn)象，誘導(dǎo)輪的空化性能得到改善；宋沛原等[11]采用仿真方法研究了輪轂形狀對(duì)誘導(dǎo)輪性能的影響，結(jié)果表明輪轂型線會(huì)顯著影響誘導(dǎo)輪揚(yáng)程，而在相同入口流動(dòng)狀態(tài)條件下對(duì)空化性能的影響較??；李欣等[12]研究了兩級(jí)誘導(dǎo)輪的氣穴發(fā)展變化情況，并和單級(jí)誘導(dǎo)輪對(duì)比分析了壓力脈動(dòng)情況；王文廷等[13]研究了縫隙誘導(dǎo)輪的空化性能，結(jié)果表明相比無縫隙誘導(dǎo)輪，安裝縫隙誘導(dǎo)輪的離心泵穩(wěn)定工作工況范圍有所提升，小流量工況下的泵空化性能明顯改善；Kimura等[14]采用CFD方法研究了殼體形狀的影響，指出入口附近的殼體臺(tái)階會(huì)顯著影響回流形式、壓力分布以及氣穴發(fā)展。由于殼體結(jié)構(gòu)的細(xì)微改動(dòng)就會(huì)對(duì)誘導(dǎo)輪的空化性能產(chǎn)生較大的影響，受到越來越多研究者的關(guān)注[15-18]。

環(huán)形槽是誘導(dǎo)輪殼體上的環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)，位于誘導(dǎo)輪入口前緣，以限制尖端泄漏渦的發(fā)展。目前中國學(xué)者采用了定常仿真方法對(duì)環(huán)形槽的結(jié)構(gòu)尺寸開展研究，分析了不同軸向長度、徑向高度和軸向位置對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響[19-20]，而對(duì)環(huán)形槽誘導(dǎo)輪的非定常特性研究較少。本文對(duì)帶有環(huán)形槽的誘導(dǎo)輪開展定常和非定常仿真研究，分析了環(huán)形槽對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)部流動(dòng)特性以及空化性能的影響。

1 研究對(duì)象

1.1 幾何模型

本文的研究對(duì)象為帶環(huán)形槽的三葉片誘導(dǎo)輪，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)形槽軸向長度為40 mm，以誘導(dǎo)輪前緣最大直徑處為界限，一半處于誘導(dǎo)輪入口，一半伸入誘導(dǎo)輪流道，環(huán)形槽徑向深度為1 mm。整個(gè)計(jì)算域由進(jìn)口管、誘導(dǎo)輪、環(huán)形槽和出口管4個(gè)子域組成。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分

綜合使用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格以提高計(jì)算效率。開展網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，揚(yáng)程變化小于0.2%，最后選取1 067 722數(shù)量網(wǎng)格開展后續(xù)研究，計(jì)算域和計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域和計(jì)算網(wǎng)格

2 數(shù)值計(jì)算方法

本研究采用雷諾時(shí)均方程法開展三維仿真計(jì)算，獲得誘導(dǎo)輪內(nèi)部流動(dòng)情況。湍流模型選擇Standard-模型，該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，因此對(duì)近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。空化模型選擇Schnerr-Sauer模型，該模型基于Rayleigh-Plesset單氣泡動(dòng)力學(xué)方程，得到氣相質(zhì)量變化率為

采用液態(tài)水作為計(jì)算工質(zhì)，溫度25 ℃，飽和蒸氣壓為3169 Pa。轉(zhuǎn)速設(shè)置為4000 轉(zhuǎn)/min，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，流量為27.69 kg/s。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。壁面邊界條件設(shè)置為絕熱無滑移邊界。

為了便于比較和分析，采用無量綱參數(shù)（空化數(shù)）描述液流的空化狀態(tài)，空化數(shù)按式（2）定義：

3 結(jié)果與討論

3.1 空化特性

在額定流量條件下開展定常仿真計(jì)算，得到誘導(dǎo)輪空化性能曲線如圖3所示。對(duì)于直殼體誘導(dǎo)輪，未發(fā)生空化時(shí)揚(yáng)程為15.56 m，在空化數(shù)從0.05減小到0.02的過程中，揚(yáng)程先減小后增大，出現(xiàn)“凹坑”現(xiàn)象。隨著空化數(shù)進(jìn)一步減小，誘導(dǎo)輪揚(yáng)程迅速降低，以揚(yáng)程下降10%作為空化斷裂點(diǎn)，直殼體誘導(dǎo)輪的臨界空化數(shù)為0.0074。對(duì)于環(huán)形槽誘導(dǎo)輪，未發(fā)生空化時(shí)揚(yáng)程為14.24 m，和直殼體誘導(dǎo)輪相比揚(yáng)程下降了8.5%。隨著空化數(shù)逐漸減小，誘導(dǎo)輪揚(yáng)程開始時(shí)基本保持不變，當(dāng)汽蝕數(shù)小于0.013時(shí)，揚(yáng)程開始迅速下降，環(huán)形槽誘導(dǎo)輪發(fā)生空化斷裂的臨界空化數(shù)為0.0089。因此，安裝環(huán)形槽后，誘導(dǎo)輪揚(yáng)程有所降低，但能在更低的空化數(shù)條件下保證揚(yáng)程基本穩(wěn)定。

圖3 空化性能曲線

在定常計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上開展非定常仿真計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)置為4.167×10-5s，并在計(jì)算過程中對(duì)葉片上的氣穴尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)，氣穴尺寸定義為氣相體積分?jǐn)?shù)在葉片吸力面上的積分。圖4為不帶環(huán)形槽的誘導(dǎo)輪氣穴尺寸變化，其中圖4a顯示在空化數(shù)為0.0588時(shí)，3個(gè)葉片上的氣穴尺寸基本保持穩(wěn)定。圖4b顯示空化數(shù)為0.0441時(shí)，3個(gè)葉片上的氣穴尺寸發(fā)生周期性的等幅振蕩，并且氣穴尺寸極大值的出現(xiàn)順序依次為：葉片1→葉片2→葉片3，與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，統(tǒng)計(jì)氣穴遷移頻率，約為轉(zhuǎn)軸頻率的1.197倍，因此該空化數(shù)條件下誘導(dǎo)輪發(fā)生了超同步旋轉(zhuǎn)空化。圖4c顯示的氣穴遷移情況與圖4b類似，更多的計(jì)算結(jié)果表明在空化數(shù)0.0247～0.0441條件下誘導(dǎo)輪發(fā)生超同步旋轉(zhuǎn)空化，氣穴尺寸以超同步轉(zhuǎn)速在葉片間遷移，使葉片承受不平衡載荷，導(dǎo)致軸振動(dòng)，影響誘導(dǎo)輪的正常工作。圖4d為帶環(huán)形槽的誘導(dǎo)輪氣穴尺寸變化，從 圖4d中可以看出，安裝環(huán)形槽后，旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，誘導(dǎo)輪的空化不穩(wěn)定性得到改善。

圖4 葉片吸力面上的氣穴尺寸

續(xù)圖4

3.2 流場(chǎng)分析

誘導(dǎo)輪軸向截面靜壓分布如圖5所示。從圖5中可以看出，軸向截面存在壓力梯度變化，對(duì)于直殼體誘導(dǎo)輪，低壓區(qū)位于葉片吸力面前緣修圓末端，而對(duì)于環(huán)形槽誘導(dǎo)輪，低壓區(qū)轉(zhuǎn)移到誘導(dǎo)輪流道中間區(qū)域和槽體后緣。

圖5 軸向截面靜壓分布對(duì)比

在軸向壓力梯度的作用下，誘導(dǎo)輪入口存在回流現(xiàn)象。對(duì)于直殼體誘導(dǎo)輪，液體通過葉尖間隙回流；對(duì)于環(huán)形槽誘導(dǎo)輪，液體通過葉尖間隙和槽體回流。和直殼體誘導(dǎo)輪相比，環(huán)形槽誘導(dǎo)輪的葉尖泄漏量增加，回流規(guī)模擴(kuò)大。一方面，回流渦增大導(dǎo)致誘導(dǎo)輪入口攻角減小、做功減少，造成誘導(dǎo)輪揚(yáng)程下降。另一方面，入口回流還會(huì)對(duì)誘導(dǎo)輪的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力分布產(chǎn)生影響。安裝環(huán)形槽后，入口漩渦區(qū)向環(huán)形槽聚集，導(dǎo)致流場(chǎng)中的低壓區(qū)向環(huán)形槽后緣發(fā)展。

圖6 軸面速度分布和流線變化

3.3 氣穴體積分布

不同空化數(shù)條件下的氣穴體積分布如圖7所示。從圖7中可以看出，對(duì)于直殼體誘導(dǎo)輪，氣穴區(qū)剛開始出現(xiàn)在誘導(dǎo)輪葉片吸力面前緣，隨著空化數(shù)逐漸降低，氣穴區(qū)域同時(shí)向著流道下游和輪轂擴(kuò)大，并逐漸堵塞流道。對(duì)于環(huán)形槽誘導(dǎo)輪，氣穴區(qū)剛開始出現(xiàn)在誘導(dǎo)輪中部以及環(huán)形槽后緣，隨著空化數(shù)降低，氣穴區(qū)范圍擴(kuò)大，在離心力作用下，氣穴區(qū)首先堵塞環(huán)形槽流道，從而推遲了誘導(dǎo)輪流道的堵塞時(shí)間。由于安裝環(huán)形槽后，氣穴區(qū)域的初生位置和發(fā)展過程均發(fā)生改變，誘導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失。

圖7 氣穴體積分布（10%氣相體積分?jǐn)?shù)等值面）

3.4 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，以環(huán)形槽誘導(dǎo)輪為研究對(duì)象，開展相似工況條件下的空化可視化試驗(yàn)。隨著空化數(shù)減小，誘導(dǎo)輪的氣穴區(qū)分布如圖8所示。從圖8中可以看出，安裝環(huán)形槽后，氣穴區(qū)首先出現(xiàn)在誘導(dǎo)輪流道中部和環(huán)形槽后緣，隨著空化數(shù)降低，環(huán)形槽附近區(qū)域的氣穴區(qū)范圍增大，與仿真結(jié)果相同。由于在環(huán)形槽增強(qiáng)的回流作用下，液流軸向速度增加，導(dǎo)致誘導(dǎo)輪葉尖附近的液流角增大，當(dāng)液流角大于葉片角時(shí)，一方面，誘導(dǎo)輪葉片做功區(qū)域減小，造成誘導(dǎo)輪揚(yáng)程降低，另一方面，誘導(dǎo)輪入口的低壓區(qū)發(fā)生變化，誘導(dǎo)輪壓力面入口前緣成為空化初生的區(qū)域。因此，環(huán)形槽通過影響入口回流、氣穴區(qū)產(chǎn)生和發(fā)展來影響誘導(dǎo)輪的空化性能。

圖8 不同空化數(shù)下環(huán)形槽誘導(dǎo)輪的氣穴區(qū)變化

4 結(jié) 論

本文以環(huán)形槽誘導(dǎo)輪為研究對(duì)象，開展定常和非定?？栈抡嬗?jì)算，通過可視化試驗(yàn)驗(yàn)證了不同空化數(shù)下誘導(dǎo)輪的氣穴發(fā)展過程，得到以下結(jié)論：

a）安裝環(huán)形槽后，額定工況下誘導(dǎo)輪揚(yáng)程略有降低，而空化不穩(wěn)定性得到改善，表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，誘導(dǎo)輪在更低的空化數(shù)條件下?lián)P程基本保持不變；

b）環(huán)形槽增大了誘導(dǎo)輪的葉尖泄漏，使進(jìn)口回流得到增強(qiáng)，回流改變了誘導(dǎo)輪入口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力分布，使流場(chǎng)中的低壓區(qū)向誘導(dǎo)輪流道中部和槽體后緣轉(zhuǎn)移，從而改變了氣穴區(qū)初生的位置，抑制了旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象；

c）受離心力作用，氣穴區(qū)向環(huán)形槽流道發(fā)展，推遲了誘導(dǎo)輪流道的堵塞時(shí)間。

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Effect of Annulargroove on the Cavitation Performance of Inducer

WANG Jue1, CHEN Xiao2, BI Chenyu3, CUI Lei4, LI Jiawen3

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076;3. School of Astronautics, Beihang University, Beijing, 100191; 4. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

In order to study the effect of annular groove on the cavitation performance of an inducer, the inducer with annular groove is taken as the research object, simulation calculation is carried out based on the Standard-turbulence model and Schnerr-Sauer cavitation model, and visual experiment under similar working conditions is conducted. The results show that the head of the inducer decreases slightly after installing the groove, but the rotating cavitation phenomenon disappears, and the head of the inducer basically remains stable at a lower cavitation number. The annular groove changes the flow field structure and the pressure distribution at the inlet of inducer by enhancing the tip return flow, so that the low pressure area in flow field transfers to the middle of the inducer channel and the trailing edge of the groove, thus changing the initial position of the cavitation area, and also inhibiting the rotary cavitation phenomenon. Under the action of centrifugal force, the cavitation area develops into annular groove channel, which delays the blockage time of the inducer channel.

inducer; annular groove; cavitation; simulation calculation

2097-1974(2023)02-0047-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230210

V434

A

2023-03-28；

2023-03-31

王 玨（1961-），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)橐后w運(yùn)載火箭技術(shù)。

陳 曉（1991-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

畢辰宇（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿~輪機(jī)械設(shè)計(jì)。

崔 壘（1992-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橐后w運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)。

李家文（1972-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真。