黄启龙，李进贤，郑 亚，杨孟夏

(西北工业大学 航天学院，西安710072)

空间推进系统常采用挤压式输送方式，推力室压强通常在1 MPa左右，导致推进剂比冲较低。而小尺寸离心泵的黏性损失会降低泵的效率［1］。目前的一个解决方案是用小型的活塞往复泵对推进剂进行增压输送。美国LLNL实验室研制的活塞往复泵质量为300 g，输出压力可达6 MPa［2－4］。往复泵在石油化工等领域应用已十分广泛。将往复泵用在空间推进系统中代替挤压式系统可以改善整个推进系统的性能。

本文基于动网格技术，对往复泵液缸和单向阀阀腔内流体输送过程进行非稳态数值仿真，得到了往复泵内部的流动状态、压强变化规律和结构参数对往复泵平均流量的影响。

1 几何模型与工作原理

图1是活塞往复泵的结构示意图，双缸呈对称结构，主要由液缸、汽缸、活塞及阀门组件等构成。

图1 双缸往复泵结构示意图

推进剂在贮箱的箱压作用下流经往复泵，经过往复泵增压后输送至推力室，由少量推进剂产生的热燃气注入往复泵汽缸，实现对活塞的驱动。活塞挤压推进剂使泵出口单向阀打开，同时入口单向阀关闭，防止推进剂倒流。活塞返程时由流进液缸的推进剂做功推动活塞使燃气排出。双活塞交替运动，有利于实现推进剂流量恒定。

2 往复泵内流场数值仿真

2.1 计算模型

选双缸往复泵单侧二维流场进行动态模拟。流场计算区域如图2所示，其中:d为活塞直径;s为活塞行程。运动边界包括活塞壁面和单向阀阀体。假设活塞运动过程中前半程匀加速，后半程匀减速，阀芯匀速开启与闭合。使用UDF文件同时控制活塞壁面与阀芯的运动。

图2 往复泵内流场

采用Fluent软件的二维单精度非稳态求解器以及分离式SIMPLE算法计算，离散方程选用二阶迎风格式。

2.2 数学模型

假设流体为不可压缩流动，忽略重力影响，且泵内为非定常流动。流体在往复泵内部二维流动的控制方程为:

式中:ρ为流体密度;ux、uy分别为流体沿x轴、y轴方向的速度分量;p为流体压强;μ为动力黏度。

2.3 网格划分

根据泵内流场特点采用结构化网格与非结构化网格相结合的划分方式，如图3所示。因为液缸流场形状规则，且活塞移动方向垂直于边界，所以采用结构化网格有利于网格的动态更新。而在单向阀阀芯运动区域，由于流场形状不规则，所以采用非结构化网格划分。

动网格更新方法采用动态层法和局部重划法。液缸内结构化网格由动态层技术更新。单向阀阀区的非结构化网格采用局部重划法更新。与动态层法不同的是该方法将与运动边界相连的网格重新划分，而不是简单地增加网格层［5］。

图3 往复泵网格划分

2.4 边界条件

1)出口边界条件。

往复泵出口联通工作负载，其出口为压力边界条件(Pressure-oulet)，取出口负载为5 MPa。

2)流体性质。

选取肼作为流体，密度ρ=1 013.1 kg/m3，动力黏度μ=1.044 0×10－3Pa·s。

3)壁面边界条件。

液缸壁面设置为变形(deforming)，活塞壁面与单向阀阀芯设置为刚性体(rigid body)。

3 仿真结果与分析

3.1 往复泵内压强建立过程

对往复泵活塞直径3～6 cm、行程1.5～3 cm、运动频率为8、10、12 Hz的组合工况进行模拟。图4给出的是活塞及单向阀运动过程中流场不同时刻的压强等值线。往复泵活塞从右极限位置到左极限位置的运动时间为50 ms(活塞运动频率10 Hz)。可以看出0～25 ms时刻活塞壁面向左做匀加速运动，同时单向阀开启，泵内压强升高，泵出口压强较为平稳，单向阀两端压差在逐渐增大。这是由于活塞的匀加速运动使流速增加，相比阀芯的运动速度及阀门开度，质量流量依然呈增大趋势，导致阀两端的压差也在增大。从25～50 ms时刻活塞壁面向左做匀减速运动，单向阀关闭，泵内压强逐渐降低，单向阀两端压差逐渐减小。47.5 ms时活塞接近左极限位置，运动速度已大幅降低，泵出口回流显著增加。这说明单向阀作用明显，在活塞停止运动时单向阀关闭，有效阻止了回流。

图4 内流场压强等值线

图5给出的是活塞在8、10和12 Hz运动频率下，泵内的压强建立过程。由图5可见:当结构参数一定时，频率越高增压过程越迅速，所能达到的极限压强也有所增大。而往复泵的压强变化过程整体呈阶跃式变化，如果要实现对推进剂的恒定增压，就需要双缸甚至多缸的配置，让往复泵活塞交替运动。

图5 不同频率时泵内压强随时间的变化

3.2 双缸往复泵压强特性

当推进系统稳态工作时，只有往复泵压强的平稳输出才能保证下游推力室的推力不会产生波动。往复泵的脉动式工作特点，使其工作频率对压强输出的影响较为显著。图6～8为双缸往复泵不同工作频率时的压强输出特性。如图所示，往复泵工作频率较低时，其压强输出较为平稳。由于此时往复泵活塞运动速度低，其变速运动带来的输出压强差减小，且活塞运动周期变长，使得往复泵输出压强的波动较小。但当泵结构不变时，较低的频率会降低往复泵的流量。在满足额定流量的条件下，选用较低的频率有利于实现压强的平稳输出。

3.3 双缸往复泵流量特性

由于活塞的变速运动，往复泵的流量会随时间不断变化。但使用者往往关心的是在一定时间内往复泵所输送的液体体积或质量，这就需要研究往复泵的平均流量［6］。图9～11分别为双缸活塞运动频率8、10和12 Hz时，1 s内往复泵流量随结构参数的变化情况。流量与活塞直径、行程和频率均成正比关系，并会随行程的增加而线性递增。

图9 频率8 Hz时平均流量随结构参数的变化

4 结论

1)通过数值计算，可以看出往复泵在输送推进剂时，压强建立迅速，增压效果明显。

2)液缸出口配有单向阀的设计有效阻止了下游管路的回流，不会使推进剂的回流干扰泵内流场。

3)双缸甚至多缸设计的往复泵有利于压强的平稳输出，且较低的工作频率有助于降低输出压强的波动。

4)往复泵的结构参数及液缸数量可对泵的平均流量产生较大的影响。

［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］ 张志荣，冉景煜.内燃机缸内气体CFD瞬态分析中动态网格划分技术［J］.重庆大学学报，2005，28(11):97－100.

［6］ 朱俊华，战长松.往复泵［M］.北京:机械工业出版社，1992.