液氢泵模拟介质试验仿真研究

发布时间：2020-07-22 19:27

【摘要】：直接使用液氢进行氢泵试验存在超低温环境要求高、液氢易燃易泄漏、成本昂贵等问题,需要寻找模拟介质替代液氢进行试验。而液氢的物理特性比较特殊,存在模拟泵的运行工况与设计工况相差大、泵内流动不相似等问题,所以需要寻找合适的液氢泵模拟介质。低温氮气与液氢黏度、密度接近,流动状态可能更接近液氢,使用低温氮气进行模拟介质试验可以减小试验成本、获得更精确的泵外特性。所以,有必要研究低温氮气作为液氢泵模拟介质进行试验的可行性。本文分别以某型小推力发动机氢泵、某型中推力发动机氢泵和某型大推力发动机氢泵为研究对象,利用CFD仿真的方法,比较液氢介质和低温氮气介质下的仿真结果,分析泵的外特性与泵内流场特征,研究低温氮气介质与液氢介质的相似性。泵的相似性受到雷诺数与介质压缩性的影响。在泵相似定律的基础上,提出了考虑雷诺准则的相似换算关系以及介质选取原则,为确定模拟介质提供理论依据。针对介质的可压缩性带来的扬程计算困难等问题,提出了特征密度法和等熵法来获得可压缩介质泵的外特性。泵内介质很可能处在超临界状态,应用ARK气体方程对气体介质物性状态进行描述。可压缩介质在泵内物性状态变化大,在考虑了压缩性的基础上,推导出了可压缩介质满足雷诺准则的泵入口条件确定方法和模拟泵运行工况的确定方法。氮气介质CFD仿真结果与低温氮气试验结果相符较好,说明可以用CFD方法研究和预测低温氮气试验的结果;液氢介质CFD仿真结果与液氢试车结果相符较好,说明可以用CFD方法研究液氢泵性能。仿真中的氮气模拟介质与液氢介质的相似程度,可以在一定程度上反映氮气模拟试验与液氢试车的相似性。研究结果表明:在一定条件下,低温氮气介质在泵内的流动会出现激波现象,这是压缩性带来的流动不相似,需要对模拟泵进行流速限制。低温氮气模拟介质与液氢介质相似性,在小推力发动机氢泵上最好,中推力发动机氢泵次之,大推力发动机氢泵再次之,这一结果可能与压缩性影响流动相似的程度有关,所以,低温氮气模拟介质对高扬程泵很难适合。对低温氮气试验结果分析说明:试验条件应尽量满足绝热环境。小推力发动机氢泵表现出了流动状态与雷诺数的相关性,但是中推力发动机氢泵上相关性不明显,说明雷诺准则对不同泵的相似性影响程度不确定。低温氮气作为液氢泵模拟介质可在一定程度上反映泵内的流动特征,但氮气试验有诸多限制条件。低温氮气模拟介质试验在小推力发动机氢泵上会有较好的应用价值,能更准确的模拟泵的外特性;在中推力发动机氢泵、大推力发动机氢泵应用受到一定限制。
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V434.3
【图文】：

空气试验

轮相似的闭式叶轮⑦和 13 叶片的导叶扩压器⑧组成。泵18KW 的直流电机匹配 1800Kg 的安装架安装在固定平台扭矩/速度测量仪，由电子变速器控制转速变化，高速电通过校准剪切销保证安全性。空气入口装置由过滤器、过针管阀控制工况点，文丘里管被放在针管阀出口处，

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泵分解示意图

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所有的试验结果都采用无量纲化处理：额定工况点下与额定工况点下的质量流量系数之比Nφ φ 表示流量特性；用总压系数之比Nψ ψ 表示扬程特性；用等熵效率与额定工况点示效率特性。的压升和质量流量的特性曲线如图 1.3 所示。压升开始有小幅随着流量系数比增大而持续减小。空气试验的效率和质量流。泵的等熵效率差不多在额定工况点达到最大。

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