研究液压3-Bladed诱导物的表现基于不同的数值和实验方法

文摘

液压3-bladed诱导物的表演,在阿尔塔设计,比萨,意大利,实验和数值研究。ANSYS排名中所开发的三维数值模型来模拟流动通过诱导物和不同长度的进口/出口管道。进口/出口边界条件的影响,湍流模型和进口/出口的位置不同压力阀门的评价水力诱导物的性能进行了分析。正如预期的那样,预测水力诱导物的性能影响极大的进口/出口管道长度部分包含在计算,以及湍流模型和进口/出口压力阀门的位置。它略的影响计算边界条件和更好的协议采用时获得的测试数据湍流模型。从测压孔的位置,压力系数上升时更高的进口/出口静压水龙头在相同地点选择在实验中使用。

1。介绍

推进剂喂涡轮泵是至关重要的组件的所有主要由液体推进剂火箭发动机推进概念。由于严重限制太空运输系统、液体推进剂喂涡轮泵必须满足极要求抽水,抽吸和可靠性需求(1,2]。在这些机器诱导物通常用来prepressurize进气道流到主离心阶段(s),从而提高吸水性能和降低推进剂贮箱压力和重量(3]。通常诱发用于空间应用显示更少比离心泵叶片。诱发的其他特性包括的工作流量系数值低,大型交错角,叶片可靠性高。典型的小角度入射,长叶片,叶片之间通常增加沥青导致减少叶片加载。这些特性允许显著改善空泡性能的条件。然而,这个几何显示一些缺点,如高粘性和叶片通道内部的湍流。必须强调,粘度对泵的影响退化是诱发的次要空间,考虑到大部分的压力上升是由于离心阶段和诱导物的作用主要是祭祀,空化效应可以减少尽可能在主叶轮。

不断改进的计算流体动力学(CFD)正在迅速促进它的作用和使用作为研究和开发的有效工具液压机械的复杂和昂贵的实验(4]。具体来说,边界条件的选择,湍流模型的网格大小,是主要的方面,严重影响仿真的计算效率noncavitating和空泡流。

通过商业计算进行了ANSYS 14.5排名软件包安装在江苏大学、镇江城市,中国,在叶片高性能计算集群系统中,其主要操作参数表中列出1。参考验证实验已经进行CPRTF(空泡泵Rotordynamic测试设备)在阿尔塔,比萨,意大利5),三叶的DAPROT3诱导物,设计中描述达et al。6,7和7075 - t6铝合金制造的8]。DAPROT3诱导物被设计成一个高压头轴向诱导物tapered-hub和可变螺距和表的主要设计特点进行了总结2。

2。数值方法

2.1。几何数据和网格生成

计算模型包括三叶的诱导物,其主要尺寸表和特征2长,加上适当的部分(20直径上游和下游)的进口和出口管道,如图1。非结构化四面体细胞已经在考虑用于数值网格的快速生成与ANSYS 14.5 ICEM CFD和广泛的适应性测试诱导物的复杂几何扭曲叶片和内部流动通道。结构网格生成的进口和出口管道。网格节点系统增加的数量在整个计算域,这样六个网格生成,如表所示3。最后,在网6号,用于调查的敏感性模拟夹杂物的进口/出口管道长度短,只有非结构化四面体元素被用于诱导物的所有计算域。

2.2。控制方程和湍流模型

ANSYS只使用一个有限体积公式解决了动力,连续性和不可压缩湍流方程,湍流诱导物。因为它最初提出的槽和斯伯丁9),标准湍流模型已成为工程流计算的主力。的动荡的ANSYS模型只使用可伸缩的壁面函数的方法来提高计算的鲁棒性和准确性在墙附近,那里的网很好。这个特性允许解决方案获得在任意细网格,标志着一个重大的进步标准壁面函数的方法。在目前的研究中,四种湍流模型(即,提高,时代,模型)已经被选为调查他们的影响预测水力性能的诱导物当操作在其设计流量的90% ()。

2.3。边界条件

因为众所周知,计算成本也依赖于进口/出口边界条件,重要的是调查的影响(10]。这两种边界条件考虑了实施集:上游质量流量和下游的静态压力;集总压强:上游和下游质量流率;

分别。

3所示。实验仪器

空泡泵Rotordynamic测试设备(CPRTF阿尔塔公司、比萨、意大利;图2)是一个多才多艺的和容易instrumentable设施操作水在温度高达90°C (11]。入口压力是由两个绝对传感器监测定位:一是放置直径大约一个半上游叶片的前缘,另一个是放置在一个搬回位置,直径大约6叶片前缘的上游,为了考虑可能的导向对进气压力的影响。绝对的传感器都是德鲁克传感器(模型PMP 1400 0 - 1.5酒吧操作范围,0.25%精度类)。一对冗余差压传感器测量泵压上升之间相同的入口部分和一个出口部分定位两个直径下游叶片后缘(Kulite模型BMD 1 p 1500 100 0 - 6.8 bar-d操作范围、精密类0.1%;德鲁克,模型PMP 4170, 0 - 1 bar-d营业范围,0.08%精度类)。

3.1。测试项目

类型DAPROT3诱导物用于实验测试被设计通过验证降维模型由阿尔塔轴向诱导物诱导物的设计和性能预测的(12]。这是一个三叶的高压头诱导物tapered-hub和可变螺距,使与桑福德7075 - t6铝合金表面处理。生成的几何模型是符合典型的现代太空火箭抗病诱导剂的几何图形和操作特征。温和的叶片加载和相对较高的可靠性已被选定为减少前缘腔和改善吸水性能。一个incidence-to-blade角比已经被选择,目的是控制浪涌的发生在设计流空泡的条件下不稳定。表2显示了一些DAPROT3诱导物的照片。一系列的测试一直在进行这个三叶的轴向诱导物noncavitating条件下在不同的流量系数。

3.2。实验结果

泵的性能的表征DAPROT3一直在进行一系列的测试评估水在室温下(20°C)和入口静压远高于空化初始条件。泵的性能已被评估的静压头系数,压力上升测量位置如图3,如流量系数的函数。所有实验都是在雷诺数字()高于10⁶结果是几乎独立于动荡的影响,证实的Brennen [13在一系列的测试在不同的旋转速度。图3展示了用于配置DAPROT3诱导物的实验表征。他们已报告后与数值模拟。

4所示。结果和讨论

4.1。收敛性判别准则

模拟通常被认为已经达到收敛当质量连续性方程的残差低于。此外,收敛也被监控检查的相关集成数量,如通过验证的恒常性平均流压力参考出口截面的计算域。典型的一个例子以这种方式结果如图4,这表明已达到令人满意的收敛情况考虑的守恒方程的残差和规律性的出口流量压力的平均值。

4.2。网格加密和验证

五个不同的计算网格已经考虑和他们的决议优化基于灵敏度分析的水力性能DAPROT3诱导物。最后,这些网格已经被用来评估grid-independence的模拟。

网格元素的数量的影响,边界条件的诱导物性能的预测操作的流量系数已被评估。结果见图5表明与中间和细网格分辨率(从网2到5)给非常相似的诱导物的静态压力上升系数值,而用粗网格(网1)明显不同,也取决于边界条件施加(红色和黑色直方图)。图5也显示,静压系数增长缓慢与网格元素的数量及其边界条件的依赖降低。这两种效应成为网格编号大于176000几乎微不足道。

4.3。液压表演的诱导物

4.3.1。比较的位置压力监测

模拟完全润湿流经DAPROT3诱导物操作其设计流量的90% ()与0.8毫米叶片叶尖间隙进行了使用以上五个网格和两种边界条件。以后讨论和验证结果与相关的实验比较CPRTF阿尔塔。由于复杂的流发生在入口管(14- - - - - -17),参考站的位置的影响诱导物水力性能的评估已经被考虑调查本地和平均值的静态压力相关的进口/出口流截面(上述位置1、2和3)。特别是,参照图6(一),四个位置的名义进口/出口站在计算域已经被使用:(1)位置1:一个直径上游叶片前缘的入口站和一个直径下游叶片后缘的出口站,对应位置的入口和出口压力传感器安装在实验测试与0.8毫米叶片叶尖间隙的诱导物。(2)职位2:20管直径的上游或下游叶片主要/后缘。(3)位置3:两个直径上游叶片前缘的入口站和2.5直径下游叶片后缘的出口站,位置对应的进口/出口压力传感器被安装在实验测试2毫米叶片叶尖间隙的诱导物。(4)位置4:6个直径上游叶片前缘的入口站和一个直径下游叶片后缘的位置对应的进口/出口压力传感器被安装在实验测试为了消除导流效果。

正如预期的那样,结果如图6 (b)确认静压系数上升预测的细孔模拟(网4在本例中)申请的职位从1到3的名义进口/出口站诱导物低于实验值。静压头系数计算从当地的压力值略高于那些评估使用平均压力值。图6 (c)比较了静压系数上升从模拟网格上获得从1到5集和边界条件和位置1、2和3的参考进口/出口站的诱导物。压力上升的值计算每个网格上对不同进口/出口位置和边界条件的设置显示一个小色散,对应的误差约为0.02%。在所有情况下的预测性能诱导物低于实验值,这已经被定位测量静压水龙头在位置1。增加偏差使用位置时取得了3,1和2的名义进口/出口站的评价诱导物的压力上升。特别是,在细网格模拟这些职位的相对偏差计算等于−8.28%,−14.87%,分别和−34.76%。这一趋势也表现在粗网格上的模拟。

4.3.2。湍流模型的比较

四种湍流模型(即,提高,时代,)已被使用,结合上述两种边界条件,调查他们对观察到的差异的影响数值和实验结果DAPROT3诱导物的操作与0.8毫米叶片叶尖间隙。按照网格独立性分析的迹象,网4(中间分辨率)已被选为模拟以减少计算复杂度和成本。位置3已经被用于评价诱导物的性能,因为先前的结果显示它提供更好的协议与实验数据。显示在图7 (b)相对偏差,实验数据的模拟值上升的压力系数−3.99%,−7.79%,−4.38%,−8.28%,提高,时代,模型,分别。因此,使用获得的压力系数上升湍流模型,结合进口总压和出口质量流量边界条件(集),更好的接近DAPROT3诱导物的测量性能。使用的结果模型还似乎略取决于边界条件的选择,,另一方面,似乎几乎没有影响诱导物与其他三个性能获得湍流模型。

静态压力泵DAPROT3诱导物的性能,在0.8毫米叶片叶尖间隙操作,也被评估使用湍流模型与实验进行比较。结果显示在图7 (c)的进口/出口位置的参考站的诱导物。本地值或横截面的平均静压被用来评估压力系数上升。自当地的压力值是确定电感器外壳的内表面,使用横断面平均减少了影响离心对下游压力读数的影响,减少泵性能的预测价值。图的两个特点7 (c)在位置1处证实了这一点。最后,相同的图中显示诱导物性能曲线评估在位置1和3,入口压力的水龙头一直上游5倍管道直径的地方移动。两条曲线密切同意在较高的流速,进气侧墙摩擦的细微差别只是负责他们的相对偏差。另一方面,偏差的符号改变在较低流速,对应于较高的叶片负荷,它的大小增加结果的不同强度的离心效应引起的进口压力读数发生的诱导物流导向。

4.3.3。比较不同长度的进口和出口管道

根据上述的分析预测诱导物性能仍低于实验。计算因此一直延伸到更长的部分吸入和排出管与不同长度为了更好地模拟进口/出口流及其影响诱导物的性能。在最短的配置计算域包括进口/出口管直径10和15部分直径上游和下游的诱导物。此外,细网格(网6;见表3)生成更好的考虑与其他组件的交互影响的计算模型。静压增长系数计算了当地的流量压力值在同一位置入口和出口压力传感器安装在实验测试DAPROT3诱导物与0.8毫米叶片叶尖间隙(位置1)。

正如预期的那样,取得了良好的协议与实验表现在图8(一个)最长的进口/出口管道长度(±20尖端直径),尤其是当流量系数高于。相比之下,基于短的进口/出口管道长度的模拟更细化网格(网6)导致系统压力上升系数高于实验值和计算时间的长得多。

接下来,评估的参考位置的入口压力已经位于六直径上游叶片前缘的诱导物(位置在图46)计算和实验中,为了消除回流导流的可能影响。结果,见图8 (b)实线,比较与先前获得位置1(符号)。正如预期的那样,更好的协议两泵的特点是获得特别是在低流速,在更强烈的回流导向发生由于更高的叶片加载。

5。讨论和结论

实验结果和数值泵诱导物的主要表现进行了分析。此外,四种不同的湍流模型的影响,两种不同的边界条件以及四种不同位置的入口和出口压力阀门是专门研究在目前的模拟与实验相比。此外,不同的内部流动结构在设计流量和高背压条件下的诱导物。

从目前数值分析的完全润湿流DAPROT3诱导物及其与相关的实验结果进行比较,得出以下的结论:(1)更精致的网被证明是更好的建模内部流过电感器的能力。边界条件的影响的预测静态压力上升变成了小,同时进口和出口管道的长度确实显示显著影响诱导物性能预测。(2)与实验结果比较表明,湍流模型被证明是最准确的四个选择了在目前的研究。两组不同的数值边界条件被证明有一个小的影响诱导物从使用性能预测湍流模型。(3)这些Ф-Ψ曲线之间的大偏差流速系数低于被发现基于时间越长部分的进口和出口管道的长度与直径20叶尖的半径。入口和出口管道的长度显著增加诱导物的水力性能,给信心在预测模型的水力性能与实验数据相比诱导物。

总之,模拟水力性能测试的诱导物与相关的实验结果在范围广泛的操作条件,表明提出的数学模型和方法充分捕捉DAPROT3内部流动诱导物。此外,不同的测压孔位置,用于测量进口和出口静压首次讨论通过数值和实验方法在本研究中。因此模型代表一个有效的工具来理解、分析、预测和控制的机制复杂现象发生在流经诱发操作在一个广泛的条件之上和之下的设计点。

命名法

:	刀片间隙,m
:	扩散系数
:	轴向长度、米
:	叶片数量
:	电感器转速,rad / s
:	静压,爸爸
:	体积流量、m3/小时
:	流量系数,
:	静压头系数,
:	叶尖间隙
:	从轴向叶片角
:	液体的密度
:	方位叶片间距
:	叶片可靠性=
再保险:	雷诺数,
:	诱导物中心半径,m
:	诱导物尖端半径,m
:	意思是叶片高度,m
:	意思是叶片高度,m
:	叶片角度评估对正常的轴向方向。

下标

	设计条件
	齿顶圆角半径
勒:	前缘
te:	后缘
:	蒸汽压
1:	上游站
2:	下游站。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学(51609107号和BK20160539),江苏大学高级人员(没有科学研究的基础。15 jdg073)。目前DAPROT3实验工作进行了在Alta ESA(没有的支持。4000102585/10 /问/超临界流体)。

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