晁文雄1，陈万强1, 李祥阳1，徐 轩，宋姗姗，冯 涛，江学兵，李重伯

(1.西安航空学院，陕西 西安 710077；2.中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西 西安 710077)

引言

在航空发动机附件中，带诱导轮的离心泵可输送航空燃油，为航空燃油进行增压，是燃油航空发动机心脏，因此对带诱导轮的高速离心泵的分析有着实际应用价值。离心泵内部流动状态多重因素的制约，比如叶轮转速、进出口的边界条件等，当高速燃油离心泵的运转条件、进口压力、出口流量等条件变化时，泵内会出现一些额定工况所不能出现的现象，比如湍流、回流二次流、汽蚀，这些复杂的三维非定常紊乱状态对泵的工作稳定性、可靠性以及工作范围等造成了破坏。航空燃油离心泵属于高速离心泵的范畴，泵内的流动更加混乱，分子之间的相互作用力更加强烈，依靠传统的理论分析和试验方法对其进行研究较为困难，崔宝玲等[1]基于Fluent对泵内的流场进行三维定常数值模拟计算,同时对泵进行外特性试验,并将计算结果与试验结果进行对比验证，邵春[2]采用Fluent的离心泵内非定常流动的数值模拟，黄思等[3]采用LES方法和采用多重参考系对离心泵进行研究，对离心泵内部流场展开了大量的研究工作。国内外研究主要集中在水泵等方面的低比转数离心泵领域，对燃油泵的中比转数离心泵多工况设计研究较少，因此，研究采用大涡模拟方法对燃油离心泵内非定常流动进行数值模拟和试验验证。

1 几何模型、网格划分及计算方法

1.1 几何模型

计算模型为带有一级诱导轮的高速燃油离心泵，基本参数为：叶轮外径D2=114 mm，诱导轮外径Dy2=73 mm，出口宽度b2=10 mm，设计流量Qopt=57692 L/h，增压级压力增益Δp=0.5～1.2 MPa，额定转速n=8500 r/min。模型计算区域包含进口段、闭式叶轮、诱导轮、蜗壳4部分，见图1、图2。

图1 离心泵结构

1.2 网格划分、无关性

将离心泵三维流道模型导入ANSYS软件的专用网格生成器MESH中进行网格划分[4-5]。采用非结构化四边形网格对图1，图2所示的流道几何模型进行网格划分，如图3所示。在验证网格无关性的基础上，兼顾计算能力与效率，表1为不同网格数目计算结果，表2为不同过流部件的网格数，比较以总网格单元数为500万的模型进行数值模拟计算。

图2 流道模型

图3 离心泵计算域网格

表1 不同网格数计算结果

表2 不同过流部件的网格数

1.3 控制方程及湍流模型

航空燃油物理属性如表3所示，带诱导轮的离心泵内流动主要为三维黏性不可压缩的非定常流动，借助ANSYS-Fluent软件，考虑质量守恒、动量守恒及能量守恒方程，选取湍流模型采用LES湍流模型，非定常计算采用SIMPLE算法，建立雷诺时均Navier-Stokes方程组，采用非定常计算的时间步长为Δt=0.085 ms，初步以计算为定常数值模拟的计算结果作为初始流场，观察燃油离心泵的进口流量与出口压力变化，当模拟过程收敛后进行非定常数值模拟，分别采用压力进口及流量出口边界条件，分别在不同转速、不同流量、不同进口压力工况下对离心泵内部流动进行三维非定常数值模拟计算。近壁区采用标准壁面函数。

表3 航空燃油物理属性表

1.4 大涡模拟的基本思想及运动方程

大涡模拟的控制方程是从连续性方程和动量方程经空间滤波得到的采用盒式滤波函数，做过滤运算后，即得方程，是介于直接数值模拟与平均法之间的一种湍流数值模拟的方法，网格尺度大的湍流运动通过瞬间N-S方程计算出来，而小尺度涡对大尺度涡运动的影响通过一定的模型在针对大尺度涡的瞬时N-S方程中体现出现，从而形成LES，具有能获得湍流场的脉动信息等优点[6-12]。

(1)

(2)

2 仿真结果及分析

借助ANSYS-Fluent软件采用LES方法对带诱导轮的离心泵全三维流道做了非定常模拟，图4为大涡模拟得到的静压分布，由图中压力分布可知，在叶轮的每个流道中，静压随半径的增大逐渐上升，叶轮进口部位存在容易发生汽蚀的低压区域，静压沿叶片的径向方向逐渐增大而且叶片上的压力均匀变化，沿圆周方向呈现不完全周期性对称分布的原因是蜗壳存在不对称性。

图4 4种工况下叶轮截面静压分布

涡量是一个描写旋涡运动常用的物理量。通常用涡量反映涡旋的大小和方向，流体本身就是涡，燃油泵内的流动就是由大小不同、能量各异的涡构成。

中间截涡量分布如图5所示，燃油在离心泵内的涡量大小的分布规律基本一致，这说明泵内燃油的流动规律不随涡量的大小而改变；在整个流道内，在叶片的进口和出口处的涡量明显高于叶片其他部位处，且涡量随着流量的增大而逐渐减小，这是由于小流量的高速燃油在叶轮中的自由度高于额定流量和大流量在叶轮内，燃油与叶轮发生的撞击时产生了涡，且流道截面较大的区域涡量的变化更小，缓冲平稳。

图5 中间截面涡量分布

3 水力特性试验及分析

对缩比系数为1的某型燃油离心泵在开式试验台进行了水力特性试验, 如图6、图7所示，试验时工作介质为航空燃油,进口燃油温度为27 ℃。试验台给定的不同转速4600～9210 r/min，入口压力0.037～0.39 MPa 时，分别调定不同流量5000～67000 L/h进行性能试验。

图6 离心泵试验回路原理图

图7 离心泵试验台

效率曲线如图8所示，在同一转速8500 r/min下，效率随着流量的增加逐渐增加，在流量50000 L/h 时，出现效率最高点，但是在4个进口压力下，最高点出现在进口压力0.3 MPa时。进口压力为0.1 MPa时，流量在4000 L/h处发生突变拐点，说明在进口压力为0.1 MPa时不具备大流量状态下的工作能力。

图8 效率曲线图

如图9a～图9c分别为3种不同转速(转速为4600, 8500, 9210 r/min)下的出口压力-流量曲线。在进口压力为0.1 MPa时曲线发生了突变，其他3个进口压力(0.2, 0.3, 0.39)时对应的3条曲线均均匀变化，无突变点说明燃油离心泵在各个流量点运行平稳。

从图9可以看出，在转速为4600 r/min时无大流量下的做功能力，这也符合离心泵在低转速时难以建立起高压力的特点。在发动机起动阶段，燃油离心泵出口压力小，难以满足燃油系统对喷油压力的要求，是今后攻克难点。

图9 不同转速条件下压力流量曲线

如图10a～图10c分别对应3种不同进口压力(0.1，0.2，0.39 MPa)、6种不同转速下的出口压力-流量曲线。从图中可以看出，不同工况下, 出口压力的变化趋势符合离心泵的基本特征, 即改变转速和进口压力的大小，只会影响相同流量下出口压力的具体值，而不会改变它们的变化规律。仅进口压力为0.1 MPa时，大流量状态时出口压力随流量有突变，而且比其他两个进口压力所能达到的大流量明显小，进口压力为0.1 MPa时最大能到50000 L/h，而在进口压力为0.2 MPa和0.39 MPa时最大能到67000 L/h，说明随着增压泵进口压力的增加，产品的工作能力更强，更能达到大流量状态，出口压力变化趋势更为平滑。增压泵随着进口压力和转速的减小，产品的做功能力逐渐枯竭。

图10 不同进口压力时压力流量曲线

4 结论

以高速燃油离心泵为实物泵，通过调整出口阀门的方法获得了不同压力值的模型。采用ANSYSY-Fluent软件应用大涡模拟模型，进行高质量结构化网格划分，对离心泵整机成功实现三维非定常全流场数值模拟，并进行水力试验验证分析，得到结论如下：

(1) 动态亚格子大涡模拟能够很好地模拟非定常航空燃油离心泵内流场的压力分布情况，得到了符合实际情况的压力特征，对于预测泵内部流动具有较好的效果。通过对比模拟燃油离心泵不同工况下内流场，不难发现,随着流量的增加,其压力有所下降。此外,在大、小两种流量工作状态下,叶轮内流场有着较为明显的不同,局部区域存在压力梯度较大、涡量较大的状态；与此两种情况相比,设计状态下内流场中的压力分布比较均匀,介质流动比较稳定；

(2) 对燃油增压离心泵进行了性能试验,并对其进行分析。得到试验值的出口压力-流量、效率-流量特性曲线，该泵在低转速、小流量时的变化较为明显，存在不稳定性。在大流量和高转速时性能稳定，而且在超过额定转速的1.08倍处工作状态良好，为后续提高该离心泵工作压力提高依据。在额定转速9210 r/min下工作时，流量每增加10000 L/h，出口压力平均下降0.0351 MPa。