增压泵内部流场的三维数值分析

王颖

【摘 要】对气体增压泵抽气装置内外流流场进行数值计算，作为一个算例，给出了数值分析结果。计算采用ANSYS软件的结构模块进行建模，然后应用ICEM软件进行网格的划分，采用CFX软件进行数值求解和进行数据的后处理。

【关键词】气体增压泵；抽气装置；内外流流场；三维数值分析

0 引言

气体增压泵是利用离心力的作用，使其内部的气体富集在靠近边壁处，其内部设计一个抽气装置，通过控制抽气装置出口流量来获得较高的出口压力，从而实现增压。在增压泵的中心区域，气体的压力是很低的，而供入气体的压力一般为中心压力的3～5倍，出口压力与供气压力的压比越大，增压泵的工作效率就越高。

随着材料和技术的发展，增压泵转筒的线速度可以达到很高，所以增压泵的压比可以达到很高的数值，对于需要低流量高压比的情况，气体增压泵是非常适用的。

另外，增压泵工作时，抽气装置的形状和姿态对增压泵的功耗和效率有很大的影响，低能耗的增压泵是非常有用的，为了降低抽气装置的摩擦损耗和激波损耗，可以将抽气装置头部加工成特殊形状，从而降低增压泵的功耗。

该种气体增压泵可用于飞行器内某种加注/排泄系统，我们将飞行器在30km～40km（气压在1194Pa～286Pa）高空时的情况作为一个算例进行研究。

1 计算模型

进行计算时作了以下几点假设：

（1）忽略由于热辐射引起的热交换；

（2）流体的粘性系数、热传导系数和等压比热系数都为常数，不随温度变化。

采用ANSYS软件[1]的结构模块建立计算模型，由于几何模型相对于中分面是对称的，因此只需要建立一半模型，如图1所示。另外，由于抽气装置处于高速来流的旋转气体当中，其头部的激波损耗将会非常的大，因此要对抽气装置的头部形状进行优化设计，以有利于降低其激波损耗。

应用ICEM CFD网格预处理软件[2]进行模型网格的划分，采用块体结构拓扑划分网格的方法进行，网格采用八节点六面体网格，具体网格如见图2所示。

应用CFX流体计算分析软件[3]进行求解。

在设定边界条件时，为了避免由于增压泵中心压力过低造成计算溢出，在泵内假定了一个内边界。

流体计算采用湍流模型，具体采用SST（剪应力输运模型）模型。

计算采用单机双CPU并行计算技术。

2 计算结果及分析

本算例以空气作为工作介质，增压泵内径0.5m，线速度为400m/s，边壁处压力设定为35000pa，进口温度为25℃，抽气装置的取气量为3×10-7kg/s。

计算采用二阶迎风格式，隐式迭代，计算结果如见图3～图6所示。

从计算结果可以看出，气体在增压泵中旋转时，压力呈指数分布，速度呈线形分布，而在抽气装置附近，产生了很明显的向内侧延伸的斜激波，降低了增压泵的功耗，计算结果显示该增压泵的总功耗仅为120W左右，耗能低，很适合工业应用。

另外，在抽气装置头部内侧出现了一个低温区，最高温度出现在抽气装置出口处。

该算例中，抽气装置出口处压力为16300Pa左右。而增压泵中心处压力仅为200Pa左右。如果将供气压力取为中心压力的3～5倍，也就是600～1000Pa左右，则增压泵的压比可以达到16左右，这对于增压泵来说是非常有意义的。

3 结论

通过计算获得以下结论：

（1）本文的计算方法可以实现对增压泵内外流流场的数值仿真；

（2）增压泵内抽气装置头部形状设计可以降低其头部的激波损耗，该算例中，增压泵的总功耗仅为120W左右，非常适合工业应用；

（3）抽气装置出口处形成很高的背压，该增压泵的压比可以高达16，这对实现低流量高压比的增压泵很有意义。

致謝：

感谢吴雷研究员和丁保庚研究员在论文编写过程中给予的建议和帮助。

【参考文献】

[1]ANSYS手册，ANSYS 7.0.ANSYS公司.2003.6.

[2]ICEM CFDV4.3.1手册.ANSYS公司.2003.12.

[3]ANSYS CFX5.7手册.ANSYS公司.2004.6.

[责任编辑：朱丽娜]