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[FDS] 涡轮泵诱导轮几何参数的敏感性分析及性能优化

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发表于 2021-6-1 11:46:28 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 江苏南京
本帖最后由 天洑软件 于 2021-6-1 11:50 编辑


      涡轮泵是液体推进航天发射系统中的关键部件,主要在火箭发动机的供给系统中,用来克服燃烧室压力,提供足够的推进剂流量,从而使得火箭能够获得较高的推力。

      基于降低总重、提高转速、降低推进剂储存罐压力的需求,以及最大限度提高发动机整个寿命周期可靠性的目的,需要对涡轮泵的性能进行优化提升。

诱导轮是涡轮泵中的重要结构,其作用是提高进口压头,以防止下一级泵出现明显空化,从而提高涡轮泵性能及稳定性。诱导轮是一个带有少量叶片的轴向叶轮,布置在离心泵叶轮的正上游,并与叶轮以相同的转速旋转。


*航天发射器的涡轮泵结构


为了方便评估诱导轮不同位置几何参数对流动的影响规律,并进一步进行性能优化,需要建立诱导轮的参数化几何。通过使用CAESES软件,建立了GeoPI(Geometric Parametrizationof Inducer)系统,这是一个完全自动化的项目工作流程,能够通过参数构建诱导轮的完整几何结构,并生成后续CFD分析所需的流体域模型。


一、GeoPI: 涡轮泵诱导轮的几何参数化


*涡轮泵诱导轮几何结构


GeoPI是一个致力于诱导轮部件设计的项目。涡轮泵诱导轮能够在很强的气蚀条件下运行,以确保涡轮泵的核心部件(即叶轮)能够在没有气泡的情况下工作。该部件的设计不同于传统叶轮的设计,它具有特别锋利的前缘形状和倾斜的叶片,以确保对工作流体的影响较小。


首先在项目中,通过具有四个或五个控制点的B样条曲线定义轮毂和轮盖的型线,从而确定子午通道的几何结构。子午通道的定义还包括叶轮的前缘及尾缘线,前缘线也可以采用样条曲线形式,并可以定义与轮盖、轮毂型线的夹角。


诱导轮所具有的特征形状使其不同于传统叶轮,项目中采用CAESES的feature功能创建诱导轮模型。在CAESES中创建叶片中弧线,并定义叶片切向角度(β),叶片包角(θ),以及叶片的掠角等参数。通过feature能够在子午通道内,沿展向生成多条叶片中弧线,基于这些曲线生成放样曲面,并通过曲线插值控制β、θ、掠角等参数沿展向的分布。

*叶片中弧线及曲面

之后定义叶片厚度参数,叶片吸力侧和压力侧的厚度分布可以独立地进行控制,同时也可以为叶片根部及顶部定义不同的厚度分布,从而能够生成任意形状的叶片曲面。基于上文创建的中弧面,按照给定的前缘到尾缘厚度分布规律向两侧法向加厚,生成叶片曲面。

*厚度分布控制曲线

*叶片曲面

创建叶片模型后,为方便进行CFD分析,需创建诱导轮的单通道流体域,通过CAESES的feature可以自动得到叶片通道的周期性曲面,并且能够根据叶片形状进行自动变化。


通过改变定义的参数,可以获得不同的叶片形状。以下是改变子午流道轮廓、流动角分布、包角分布以及叶片前缘形状等参数的模型变化示意。

子午流道轮廓变化
叶顶型线β分布变化
叶根到叶顶θ变化

前缘形状变化示意



二、基于ANSYS CFX的外部仿真流程

通过耦合各种ANSYS的软件工具,可将流体动力学分析集成到CAESES设计环境中。在CAESES中创建诱导轮几何体后,将CFD流体域以TETIN格式导出,其中几何体的每个部分都设置为不同颜色,这对于ICEM中的网格划分过程非常有用,它使得ICEM能够自动识别不同的边界。通过一系列脚本,每个不同参数的几何都可以自动生成计算网格,并建立包含空化分析的自动化仿真分析流程。CFD分析采用双精度求解,SSTk-ω 湍流模型,空化模型采用Rayleigh-Plesset模型。根据仿真计算得到的诱导轮内空化气泡的位置及空间大小等数据,采用由Fortran编写的内部代码进行后处理,得到空化性能目标函数数值,对模型性能进行评估。

*CAESES和ANSYS的联合工作流程


三、涡轮泵诱导轮的优化结果

为了得到不同几何参数的影响规律,通过Sobol算法进行了参数敏感性分析,进行了150个不同模型的仿真分析研究。这里保持子午流道的轮廓和叶片包角的分布不变,调整三个叶片顶部流动角(β)分布参数。


*叶片流动角分布的参数变化图

通过后处理输出的空化分布云图以及处理得到的空化目标函数值,能够分析不同参数对性能的影响规律,并确定当前的最佳模型。在当前结果中,最佳模型空化性能函数提升了36%左右。未来的工作将进一步针对叶片包角分布、前缘形状参数以及叶片两侧不同的厚度分布进行研究。


*原始几何与敏感性分析得到的最佳几何的比较


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