[发明专利]一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法

说明书

本发明公开的一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法，属于叶轮机械技术领域。本发明实现方法如下：根据实际工作条件，建立诱导轮模型以及进出口流道模型并划分网格；建立计算流体力学模型，并对湍流模型进行旋转修正，对空化模型进行热力学修正；设置单相定常流动的边界条件并计算，获得单相结果；以单相结果作为初值计算两相定常流动，再改变进口压力以及出口质量流量，获得不同工况的计算结果；以两相定常结果作为初值计算两相非定常流动，获得非定常计算结果；通过对计算结果分析，获得准确的流场特性分布与诱导轮性能以及流场作用下诱导轮的径向力动态特性，辅助进行诱导轮的设计与优化，节省实验成本和时间。

技术领域

本发明涉及一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

在当下,水利机械的工作介质和温度早已不仅仅局限于常温水体。作为液体火箭发动机核心的涡轮泵采用液氢、液氧等低温流体作为流动介质。低温流体空化条件一直是涡轮泵研制的主要限制条件之一。当空化发生后涡轮泵的负荷将急剧减小，并引起剧烈的振动，引起涡轮泵转子系统的破坏，尤其涡轮泵在低温、高压、高转速等复杂环境下运转，为此，常在涡轮泵前安装诱导轮，提高涡轮泵入口的压力，改善涡轮泵性能。然而，由于诱导轮内部的空化的不稳定性，极易引起元件的损伤甚至系统的破坏，尤其是在低温、高压、高转速等复杂环境下运转，涡轮泵与诱导轮的空化及其空化所引起的复杂流体动力一直是火箭推进领域的关键问题。

20世纪80年代以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，计算流体力学的发展进一步推动了低温介质问题的研究。同时，航天技术的飞速发展要求运载火箭在减小设计成本的同时能够获得更大的推力，使得航天发动机需要有更高的功率密度，即需要涡轮泵以更高的转速为液体燃料(低温流体)增压，为抑制涡轮泵内空穴不稳定现象的发生，需在涡轮泵前安装诱导轮，以提高整机的工作性能与使用寿命。由于低温流体诱导轮空化流动实验的成本高、危险性大、操作难度大，使得实验的可行性低，所以针对低温流体诱导轮空化的数值仿真计算成为分析诱导轮内部空化现象的主要方法。然而在常规数值仿真计算中，工作介质为无热力学效应的常温水，无法准确模拟低温流体因为流场内部温度变化而产生物质属性变化，使得其预测结果与实验相差较大。因此，对于低温流体的诱导轮空化流动问题，有必要发展和完善低温流体考虑热力学效应的数值预测方法。

水力机械在热力学敏感介质中工作，由于流动介质的物理特性随流场温度的变化，基于水动力学不考虑热力学过程的空化理论和方法，已远远不能满足航天涡轮泵空化问题的需求，需要根据流动介质特性和特殊的工作温度研究空化的形成和发展机理，建立空化热流动理论和预测方法。

发明内容

针对现有诱导轮低温流体的计算方法存在考虑不够全面、不能满足航天涡轮泵空化问题，本发明公开的一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法要解决的技术问题是：根据低温流体的热力学属性和极低的工作温度研究空化的形成和发展机理，能够实现对低温流体诱导轮空化流动现象进行高精度的数值预测。本发明不仅能够获得准确的流场特性分布与诱导轮性能评估，更重要的是能够对流场作用下诱导轮的径向力动态特性进行评估，辅助实际进行诱导轮的设计与优化，节省实验成本和时间。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法，根据实际工作条件，建立诱导轮模型以及进出口流道模型并划分网格；建立计算流体力学模型，并对湍流模型进行旋转修正，对空化模型进行热力学修正；设置单相定常流动的边界条件并计算，获得单相结果；以单相结果作为初值计算两相定常流动，再改变进口压力以及出口质量流量，获得不同工况的计算结果；以两相定常结果作为初值计算两相非定常流动，获得非定常计算结果。通过对计算结果分析，获得准确的流场特性分布与诱导轮性能以及流场作用下诱导轮的径向力动态特性，辅助进行诱导轮的设计与优化，节省实验成本和时间。

本发明公开的一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法，包括如下步骤：