基于数值模拟的大流量减压器内部流场的特性研究

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1、第40卷第2期2010年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV硝．40No．2Mar．2010基于数值模拟的大流量减压器内部流场的特性研究罗泽明，郑丽(海军飞行学院，辽宁葫芦岛125001)摘要：针对大流量气体减压器，建立了减压器工作过程的二维数学模型，基于成熟软件平台FLu-ENT进行数值仿真，研究了减压器内部稳态流场，发现减压器内存在两种典型的流动状态——超临界流动和亚临界流动，分析了不同流动状态下的流场特征，揭示了减压器内气体流动的内在规律。关键词：减压器；内流场；数值仿真中图分类号：V430．8文献标识码：A文章编号：1671—654X(20

2、10)02-0018—03引言随着计算机和CFD的发展，利用CFD方法对阀门内部流场进行仿真，实现流场的可视化已经成为一种研究手段，在很多方面得到了广泛而有效的应用。文献[1—8]用不同的数值方法对不同类型、不同使用场合的阀门内部流场进行仿真，但是研究区域较小，多集中在节流处，未能对阀门内部整个流动状况作具体分析；另外，研究还未以减压器为对象，目前还未见有对减压器流场的研究。本文基于自主研制的大流量减压器，在一定假设的基础上对其工作过程的内部流场进行了数值仿真，研究了不同工作条件下气体在减压器内部流动的全过程，揭示了流场的特征。1工作原理本文自主研制的减压器是为了满足航空航天发动机地面试验

3、中推进剂供应系统大流量的需求，其结构如图l所示。图1中，1、3、4、5和6统称为活动组件。控制腔内无控制气时，减压器处于关闭状态，即阀芯1和阀座2闭合，入口腔A和出口腔c为非连通状况。此时若人口送进高压气体，阀芯在阀座上压得更紧，出口无压力。当通入控制气，控制腔E内压力升高，膜片4向上变形，通过顶杆3使阀芯1开启，高压气体进入出口腔，再通过阻尼孔d使阻尼腔压力升高，此时膜片4受到向下的作用力，作用力随着出口腔和阻尼腔压力升高而增大。如果减压器出口无气体消耗，阀芯l将逐渐减小开度直到关闭。A．入口腔B．卸荷腔C．出口腔D．阻尼腔E．控制腔a．减压器入口b．减压器出口c．控制腔入口e．阻尼孔f

4、．通流孔g．卸荷腔小孔1．阀芯2闱座3．顶杆4．膜片5．主弹簧6．岳lJ弹簧图1减压器原理图当减压器出口输出流量时。出口腔和阻尼腔压力将下降，活动组件的受力平衡将打破，活动组件受到向上的力，阀芯l自动开启，入口腔高压气体流人出口腔，使出口腔和阻尼腔压力回升。当活动组件上的力达到新的平衡时，减压器又处于静态平衡状态。2数值仿真模型2．1计算模型及网格划分由于减压器性能试验是以氧气为工质，氧气从高压气源通过管路到达减压器，再经管路到达限流部件——音速喷嘴后排人大气。仿真时，计算域为：减压器一管道一音速喷嘴的内流道。减压器的结构示意图参见图l和图2，仿真时具体的计算域见图3。气体在计算域内的实际

5、流动是非常复杂的三维流动，在假设氧气为可压缩的理想气体，减压器节流边和内壁具有尖锐的棱边，且根据节流面积对非对称部件进行面积折算的基础上，建立了其二维简化轴对称模型。采用结构网格对计算域进行划分，且进行-l／JⅡ密处理。收稿日期：2009．09．07作者简介：罗泽明(1973一)，男，湖北武汉人，副教授，研究方向为航空发动机。2010年3月罗泽明等：基于数值模拟的大流赶减压器内部流场的特性研究·19·图2计算域二维结构示意图控制气入口2341．入口腔2．出口腔3．阻尼腔4．控制腔5．管道6．音速喷嘴图3仿真计算域2．2控制方程和定解条件减压器内流动是可压缩气体的流动，本文采用的湍流模型为k

6、一占模型。初始条件由计算条件决定。根据减压器特l生试验，壁面边界条件为无滑移、绝热壁面，减压器入口、控制气入口均采用压力入口条件，音速喷嘴出口采用压力出口条件，给定出口反压——大气压。3稳态流场分析当上游压力或流量发生变化时，减压器通过改变阀芯的开度实现出口压力自动调节到所需调定压力值，且能维持压力恒定。当阀芯节流前后的压比和流量不同时，减压器处于不同开度和流动状态。通过一系列不同条件下数值仿真，发现减压器内存在两种典型的流动状态——超临界流动和亚临界流动。3．1超临界流场分析在边界条件为减压器入口P，=20MPa，控制气人口P，=5MPa，音速喷嘴出口为大气压的情况下，阀芯处为超音速流动

7、状态，此时rh=22．03ks／s。图4是稳态流场的压力、流线、马赫数和速度分布图。人口腔内，速度和压力分布都较均匀，处于流道上的气体流速稍大。由于速度的剪切作用，在大腔内流道两侧形成两个回流区。由于节流作用，通流孔处速度稍有增大，节流后在阀芯前的小腔内形成小回流区。图4超临界稳态流场阀芯流道内，过流面积的减小使得入口腔内高压气体的压力迅速降低，速度增大。由于边界层的存在，气流在靠近壁面处的速度最低，流道中间位置处速度最