发动机氧泵后流场数值仿真研究

裴曦，高玉闪，张晓光

(中国航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

发动机氧泵后流场数值仿真研究

裴曦，高玉闪，张晓光

(中国航天科技六院 第十一研究所，西安 710100)

发动机氧泵至燃气发生器段的流场结构直接影响着发动机的工作性能，从理论上分析氧泵后是否需要设置整流栅以调整流场，对发动机总体设计十分必要。针对氧泵后流场的特点，借助CFD计算手段，对该段流场进行有整流栅和无整流栅两种情况的数值模拟，计算得到流阻、发生器入口处的总压均匀度、氧阀流量均匀度以及阀芯受力情况。结果表明：氧阀后设置整流栅是有必要的。

整流栅；CFD；流场；氧化剂供应系统；液体发动机

0 引 言

通过上述对国外已有发动机的分析可以看出，氧主阀上游的旋流叶轮、管式扩压器、蜗壳、90°弯管等均可视为扰流部件，它们使得流体产生撞击、分离脱流、漩涡等现象，在整流栅进口形成复杂的流动参数分布形态，可能导致：①下游组件流阻增大；②发生器入口流量分布不均，影响发生器喷注器的混合比和发生器出口流场温度的均匀性[9-10]。

为了评估氧泵后设置整流栅对流场的影响，需要对氧泵至燃气发生器入口处进行全流场仿真，本文通过CFD手段对整个计算域进行数值模拟，得到氧路流场特性及组件的工作性能，对计算所得的物理量进行评估，评判是否有必要设置整流栅。

1 数学物理模型

1.1 物理模型

为了能够精确地模拟氧泵后的流场，选取包括涡轮氧泵、泵后总装管路、氧主阀以及氧阀后总装管路的模型，如图1所示。

整流栅采用平板多孔结构，设计时兼顾整流效果与自身流阻，孔的进出口均设有导向锥，并与中心圆柱段圆弧转接。实际使用时，整流栅通过螺纹旋入氧泵出口管。

1.2 计算网格

采用六面体和四面体网格填充计算域，网络示意图如图2所示。

那天晚上，石屋之外的范坚强，同样无法平静。他在石屋外摆了一张小几，一个人默默地喝酒。墨镜男悄无声息地走了过来：“老板，您还喝？”范坚强放下手中的酒杯，说：“你也来陪我喝几杯。”男子不动。“坐呀，你坐。”范坚强举起酒杯，腾出中指指了指旁边，却发现没有凳子，便说：“你去搬一张过来。”范坚强又把杯子放下，点燃烟斗，抽了一口。

case 1表示无整流栅时的流道状态，网格数量为670万；case 2表示有整流栅时的流道状态，网格数量为990万。

1.3 数学模型

基于FLUENT流体计算平台开展三维定常不可压湍流流动计算。选取Pressure Based求解器，湍流模型采用RNGk-ε两方程模型，近壁处理采用标准壁面函数。采用多重坐标系模型，将诱导轮、离心轮等旋转区域的流体定义在非惯性坐标系下，转速为10 000 r/min；静止区域的流体定义在惯性坐标系下，在旋转区域与静止区域的交界面上采用混合界面法处理动静耦合流动的参数传递。采用流量进口边界，流量为995.5 kg/s，静压为2.01 MPa，温度为126.7 K。出口设为压力出口，壁面绝热无滑移。液氧密度为1 088 kg/m3，定压比热为1 527.8 J/(kg·K)，导热系数为0.148 W/(m·K)，粘性系数为1.592×10-4Pa·s。

2 计算结果及分析

2.1 定常计算

case 1和case 2流道特征截面的总压分布及面流线分布对比如图3～图4所示，二者的流道流线对比如图5所示。总压等值线的疏密程度用来表征总压梯度的大小，总压等值线越密，表示总压梯度越大，反之，则越小。流线的疏密程度用来表征速度及流量的大小，流线越密，表示速度及流量越大，反之，则越小。

从图3～图5可以看出：case 1氧阀进口呈现典型的弯管二次流反向对称双涡旋，即迪恩涡[3]；氧阀内部流道内侧流速快、流量大，而外侧流速慢、流量小；case 2由于设置了整流栅，其氧阀进口的总压及速度矢量分布变得均匀，流线之间的夹角显著减小，表明氧阀内部的流态得到明显改善，氧阀流道四个象限的流量均匀性显著提高。

case 1和case 2的氧化剂路流阻情况对比如表1所示，可以看出：安装了整流栅后(case 2)的流阻减小了0.237 MPa，即改善了氧泵后流场的流阻状况。

表1 case 1和case 2的氧化剂路流阻情况对比

综上所述，理想的整流栅应能够为下游提供均匀的直线流动，并对流阻有一定的改善作用。

2.2 非定常计算

氧化剂系统的动态特性对发动机的稳定工作具有重要作用，液氧流量的变化会对发生器内压力产生较大影响，当发生器内压力脉动与液氧压力脉动相互耦合时，会对发生器系统的稳定性产生较大影响，因此需要对液氧系统的压力脉动进行研究。非定常计算时，时间步长取5e-5s，计算时间为叶轮旋转14个周期。监测点如图6所示，point 1位于蜗壳出口管隔舌位置圆截面中心，point 2位于泵出口弯管后端面圆心，point 3位于节流阀出口端面圆心。

将最后6个转动周期的压力脉动数据做傅里叶频谱分析，结果如图7所示。

从图7可以看出：整流栅对各监测点的压力脉动频率几乎没有影响。

对监测到的压力脉动数据做均方差计算，公式为

(1)

(2)

计算结果如表2所示。

表2 有无整流栅时各点压力脉动比较

从表2可以看出：整流栅的设置使得各监测点的压力脉动均有所降低，point 1、point 2和point 3三点的压力脉动分别降低了68 176、76 947和77 001 Pa。

3 结 论

(1) 整流栅的设置改善了氧阀内部的流态，提高了流量均匀度，且降低了流阻。

(2) 整流栅对各监测点的压力脉动影响有限，但是从压力脉动均方差数据来看，整流栅的设置使得各监测点的压力脉动均有所降低。

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(编辑：马文静)

Numerical Simulation of the Flow Field of Engine Liquid Oxygen Pump Housing

Pei Xi, Gao Yushan, Zhang Xiaoguang

(The Eleventh Research Institute, The Sixth Academy of CASC, Xi’an 710100, China)

The flow field structure from engine oxygen pump to the gas generator directly influences the working performance of engine. It is necessary to theoretically analyze whether it is needed to set up perforated distribution plate after the oxygen pump to adjust the flow field. According to the characteristics of flow field after oxygen pump, by using the CFD method, the numerical simulations are made for the two flow fields-with and without perforated distribution plate. The flow resistance, the total pressure at the entrance of generator evenness, oxygen valve flow uniformity and the valve core force are calculated. Results show that it is necessary to set up the perforated distribution plate after oxygen valve.

perforated plate; CFD; flow flied; system of oxygen supply; liquid engine

2017-02-09；

2017-03-30

裴曦,peixi5297556@163.com

1674-8190(2017)02-244-05

V238

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.02.018

裴 曦(1984-)，男，博士，工程师。主要研究方向：发动机总体设计。

高玉闪(1983-)，男，博士，高级工程师。主要研究方向：发动机总体设计。

张晓光(1987-)，男，博士，高级工程师。主要研究方向：发动机总体设计。