[发明专利]一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法

说明书

本发明公开的一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械技术领域。本发明实现方法为：根据实际工作条件，建立诱导轮模型及进出口管道模型并划分网格；设定诱导轮边界条件并确定流固耦合交界面；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；进行诱导轮空化定常初值计算；定常结果作为初值进行诱导轮空化非定常流固耦合数值计算；对计算结果进行后处理，获得不同时刻诱导轮的载荷特性以及叶片变形速率云图，能够对流场作用下诱导轮的叶片变形情况进行评估，辅助实际进行诱导轮的设计与优化，节省实验成本和时间。本发明能够应用于航空发动机涡轮泵流激振动、诱导轮空化不稳定性问题预测领域。

技术领域

本发明涉及一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

涡轮泵是液体火箭发动机系统的重要组件之一，其功能是有涡轮带动离心泵告诉运转以提高火箭推进剂的压力，从而提高为火箭产生的动力。在高速涡轮泵叶轮中，由于转速高致使叶轮前缘吸力面压力较低容易产生空化，当空泡扩大到堵塞转子叶片流道时，泵的吸入性能就会急剧下降。而诱导轮具有稠度大，安装角小等优点，所以常在涡轮泵上游安装诱导轮以避免涡轮泵发生空化。

而作为涡轮泵内主要的空化发生部位，诱导轮内部空化会使流场内产生强烈压力脉动，由此会引发诱导轮流机振动问题。同时，液体火箭发动机通常以液氢，液氧的低温液体作为燃料，而低温介质诱导轮的空化特性由于普通常温水诱导轮不同。研究诱导轮低温流激振动问题，主要就是研究诱导轮在低温空化、旋转失速以及动静部件间流场干涉等非定常流动引发的结构振动，建立流动特征与涡轮泵结构振动特性之间的联系。诱导轮低温空化流激振动是影响涡轮泵振动问题的关键因素，如何抑制诱导轮低温空化流激振动是解决涡轮泵减振的关键问题之一。

实验是研究诱导轮流激特性最直接的方法，能够较准确地捕捉到流场局部测点的压力脉动和结构的振动特性，但受实验条件的影响很难将结构的振动与流场脉动很好的联系起来。此外，实验对于设备和场地有很高的要求，因此，通过基于流固耦合的流激振动数值预测是解决此类问题的重要方式。目前国内在水力机械的流固耦合数值计算研究相对较少，而对诱导轮低温空化流激振动的流固耦合研究则更少，缺乏系统完善的数值预测方法，因此发展一种诱导轮低温流固耦合数值预测方法有着重要意义。

发明内容

针对现有对诱导轮低温空化流激振动的数值预测方法存在考虑不够全面、不能满足现有航天涡轮泵要求的问题，本发明公开的一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法要解决的技术问题是：实现对诱导轮低温空化流固耦合数值预测，并能够提高预测精度。本发明通过对诱导轮低温空化流固耦合数值预测，不仅能够获得准确的诱导轮叶片载荷特性，更重要的是能够对流场作用下诱导轮的叶片变形情况进行评估，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。

本发明公开的一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法，根据实际工作条件，建立诱导轮模型及进出口管道模型并划分网格；设定诱导轮边界条件并确定流固耦合交界面；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；进行诱导轮空化定常初值计算；定常结果作为初值进行诱导轮空化非定常流固耦合数值计算；对计算结果进行后处理，获得不同时刻诱导轮的载荷特性以及叶片变形速率云图，辅助实际进行诱导轮的设计与优化，节省实验成本和时间。

本发明公开的一种诱导轮低温流体空化流固耦合数值预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立诱导轮模型并划分网格。

应用叶轮机械建模软件建立诱导轮几何模型，将诱导轮导入网格划分软件中，以实现结构化网格划分。

作为优选，步骤一所述的机械建模软件优选Blade gen，网格划分软件优选ANSYSTurbo Grid、ANSYS ICEM。