离心式航空燃油泵气液两相流及压力脉动特性研究

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随着国家“十四五”规划对产业结构的调整和我国工业水平的快速发展,高转速、高效率的离心泵已经成为各行业重点研究对象。而离心式航空燃油泵(以下简称燃油泵)在航空航天领域有着广泛的应用,作为对各类航空发动机供能的重要装置,在供能过程中,燃油泵经常会出现油气混输的现象,导致燃油泵的扬程下降,效率降低。严重时会发生燃油供给不足甚至断流的危险情况,影响到航空设备的正常运行。而现阶段对于燃油泵的两相流动研究较少,内部流动规律尚不明确。因此研究燃油泵在两相流条件下内部流场的规律,对于保障航空航天系统的安全和稳定性具有重要意义。本文对一种带有分流叶片的离心式航空燃油泵进行了数值模拟,基于RNG k-ε湍流模型和欧拉非均相多相流模型,对燃油泵在不同流量、不同含气率等条件下的内部流动特性和压力脉动特性进行了研究。主要研究内容如下:(1)燃油泵以气液两相为输运介质时,因含气率的增加导致输运介质的平均密度下降,因此燃油泵内部压力与输运介质含气率负相关,且低压区出现在叶轮长叶片中前段,影响叶轮做功,扬程和效率呈现出随输运介质含气率的增大而急剧下降。(2)在燃油泵两相流运行过程中,气相分布主要集中在叶轮进口和短叶片压力面前端,在大气泡直径(D=0.2mm)工况下,叶轮区域的气相有较为明显的扩散现象,在长叶片压力面中段出现气相聚集现象。因输运介质为两相流动,各相之间存在交替作用,导致泵内流体流动呈现出强非线性,打破泵内流动规律,严重降低泵的扬程和效率。在大含气率工况下(a=15%)泵内气相大量聚集,造成叶轮流道中部堵塞,燃油泵难以正常工作。在分流叶片的作用下,长叶片压力面后段和短叶片压力面气相高度聚集,长叶片吸力面后段和短叶片吸力面气相分布较低,气相分布在叶片表面上呈现出两极分化趋势,且长叶片的叶表相对位置0.5处为压力面和吸力面气相分布曲线变化的分界点。分流叶片的存在会影响叶片上的气相聚集位置。(3)对叶轮流道内的压力脉动研究发现,气相的出现会影响相应的压力脉动规律,反映到时域图上为脉动曲线波动增加,周期性减弱。各主频位置一般都为1倍转频,因为叶轮进口处和分流叶片前段的液相对叶片的冲击,加上入流含气条件下导致流动不稳定,在靠短叶片前端和长叶片中段主频位置会随含气率增大而变为4倍转频。同时对于隔舌处和蜗壳前段的监测点研究发现,由于叶轮和蜗壳的动静干涉和长短叶片设计,使得脉动主频位置随含气率的增大而发生改变,主频从1倍叶频变为0.5倍叶频。且低频处的脉动信号增强。含气率对叶片压力脉动影响主要体现在流动最为复杂的长短叶片的交界处即短叶片的进口处。分流叶片在改善整体流动的情况下,局部区域容易产生回流和漩涡,在加入气相后,气相在叶轮流道对正常流动的液相进行挤压排挤,同时在叶片表面聚集,影响泵的正常工作。
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