2.2数学模型假设流体为不可压缩流动,忽略重力影响,且泵内为非定常流动。流体在往复泵内部二维流动的控制方程为:分别为流体沿x轴、y轴方向的速度分量b为流体压强;为动力黏度。
2.3网格划分根据泵内流场特点采用结构化网格与非结构化网格相结合的划分方式,如所示。因为液缸流场形状规则,且活塞移动方向垂直于边界,所以采用结构化网格有利于网格的动态更新。而在单向阀阀芯运动区域,由于流场形状不规则,所以采用非结构化网格划分。
动网格更新方法采用动态层法和局部重划法。液缸内结构化网格由动态层技术更新。单向阀阀区的非结构化网格采用局部重划法更新。与动态层法不同的是该方法将与运动边界相连的网格重新划分,而不是简单地增加网格层0. 2.4边界条件出口边界条件。
往复泵出口联通工作负载,其出口为压力边流体性质。
壁面边界条件。
与单向阀阀芯设置为刚性体(rigidbody)。
3仿真结果与分析3.1往复泵内压强建立过程~6cm、行程1.5~3cm、运动频率为8、10、12Hz的组合工况进行模拟。给出的是活塞及单向阀运动过程中流场不同时刻的压强等值线。往复泵活塞从右极限位置到左极限位置的运动时间为50ms(活塞运动频率10Hz)。可以看出0~25ms时刻活塞壁面向左做匀加速运动,同时单向阀开启,泵内压强升高,泵出口压强较为平稳,单向阀两端压差在逐渐增大。这是由于活塞的匀加速运动使流速增加,相比阀芯的运动速度及阀门开度,质量流量依然呈增大趋势,导致阀两端的压差也在增大。从25 ~50ms时刻活塞壁面向左做匀减速运动,单向阀关闭,泵内压强逐渐降低,单向阀两端压差逐渐减小。47.5ms时活塞接近左极限位置,运动速度已大幅降低,泵出口回流显著增加。这说明单向阀作用明显,在活塞停止运动时单向阀关闭,有效阻止了回流。
给出的是活塞在8、0和12Hz运动频率下,泵内的压强建立过程。由可见:当结构参数定时,频率越高增压过程越迅速,所能达到的极限压强也有所增大。而往复泵的压强变化过程整体呈阶跃式变化,如果要实现对推进剂的恒定增压,就需要双缸甚至多缸的配置,让往复泵活塞交替运动。
3.2双缸往复泵压强特性当推进系统稳态工作时,只有往复泵压强的平稳输出才能保证下游推力室的推力不会产生波动。往复泵的脉动式工作特点,使其工作频率对压强输出的影响较为显著。~8为双缸往复泵不同工作频率时的压强输出特性。如图所示,往复泵工作频率较低时,其压强输出较为平稳。由于此时往复泵活塞运动速度低,其变速运动带来的输出压强差减小,且活塞运动周期变长,使得往复泵输出压强的波动较小。但当泵结构不变时,较低的频率会降低往复泵的流量。在满足额定流量的条件下,选用较低的频率有利于实现压强的平稳输出。
3.3双缸往复泵流量特性由于活塞的变速运动,往复泵的流量会随时间不断变化。但使用者往往关心的是在定时间内往复泵所输送的液体体积或质量,这就需要研究往复泵的平均流量63.~11分别为双缸活塞运动频率8、0和12Hz时,1s内往复泵流量随结构参数的变化情况。流量与活塞直径、行程和频率均成正比关系,并会随行程的增加而线性递增。
行程/ctn 10频芈10Hz时平均流量随结构参数的变化行程/cm围铎牟12Hz时平均浼量随结构参教的变化4结论通过数值计算,可以看出往复泵在输送推进剂时,压强建立迅速,增压效果明显。
液缸出口配有单向阀的设计有效阻止了下游管路的回流,不会使推进剂的回流干扰泵内流场。
双缸甚至多缸设计的往复泵有利于压强的平稳输出,且较低的工作频率有助于降低输出压强的波动。
往复泵的结构参数及液缸数量可对泵的平均流量产生较大的影响。