液氧离心泵水力设计方法的研究

论文摘要

液氧泵的研制任务就是设计一台高效率的液氧离心泵。以该泵为核心设备的地面液氧加注系统，能够将液氧从地面高品质地泵送至长征系列运载火箭上的液氧贮箱。本文研究了一种在国内航天地面加注系统从未有过的，与全流道全三维流场的水力数值计算方法相结合的，“反－正－反”迭代耦合的新型水力设计方法，来设计确定液氧泵的水力参数。通过本文研究的新型水力设计方法研制出来的液氧离心泵，经发射场试验证明，其水力性能不仅完全满足地面液氧加注系统的要求，并且泵效率较高。这种迭代耦合新型水力设计方法的具体研究内容为：先采用“反问题”设计，根据该液氧泵研制任务的参数特点——低比速离心泵，选择适合于该具体工况低比速液氧离心泵的一维水力方法。再进行“正问题”计算，本文采用的是全流道全三维流场的CFD数值计算方法，通过正确选择适合该类泵的计算模型和正确设置各项参数，该全流道全三维流场的数值计算收敛，并提供了一种直观形象的流场形态，数值计算结果反应了泵内水力的真实情况、揭示出泵内液流运动的规律、并能在计算机设计阶段分析发现泵水力设计的问题和不足。“正问题”计算发现问题后，再通过“反问题”修改设计，“正问题”再次计算及分析。就这样多次迭代耦合地反复修改水力设计，直至最终计算结果显示，流场已最优化。通过这种新型水力设计方法的研究效果证实，该方法可以在设计阶段即实现对泵性能的评价，从而设计出最优化的离心泵，并大幅缩短研制周期和费用。研究出的这种实用有效的新型水力设计方法，将对提高今后的国内航天加注等用泵的研制水平起到极大地推动作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的、意义和背景
• 1.2 液氧泵国内外的研究与发展现状
• 1.2.1 泵一维设计的的国内外研究状况
• 1.2.2 低比速泵一维设计的国内外研究状况
• 1.2.3 泵的一维设计与三维设计的发展关系
• 1.2.4 泵三维数值模拟设计的国内外发展与趋势
• 1.3 液氧泵研究领域前人研究成果
• 1.3.1 泵一维设计前人研究成果
• 1.3.1.1 低比速泵的一维加大流量设计法
• 1.3.1.2 低比速泵的一维无过载设计法
• 1.3.1.3 低比速泵的一维优化设计法
• 1.3.2 泵三维设计前人研究成果
• 1.3.3 航天用泵前人研究成果
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 液氧泵过流部件的一维反问题设计
• 2.1 对液氧泵的设计要求
• 2.1.1 对液氧泵的主要参数要求
• 2.1.2 液氧的物理及化学特性简介
• 2.2 液氧泵的比转速
• 2.2.1 比转数的计算
• 2.2.2 选择过流部件的一维优化设计方法
• 2.3 叶轮的一维水力反问题设计
• 2.3.1 确定泵进出口直径
• 2.3.2 效率估算
• 2.3.3 必需汽蚀余量估算
• 2.3.4 确定轴功率
• 2.3.5 初步确定叶轮主要尺寸
• 2.3.6 绘制叶轮轴面投影图
• 2.3.6.1 轴面投影图
• 2.3.6.2 轴面过流断面面积变化检查
• 2.3.6.3 绘制叶片
• 2.4 螺旋形压水室的一维水力反问题设计
• 2.4.1 螺旋形压水室断面的设计计算
• 3'>2.4.1.1 基圆直径 D₃
• 3'>2.4.1.2 涡室入口宽度 b₃
• 3'>2.4.1.3 隔舌螺旋角（简称舌角）α₃
• 2.4.1.4 泵舌安放角θ
• 2.4.1.5 涡室断面面积的确定
• 2.4.2 螺旋形涡室的绘制
• 2.5 本章小结
• 第3章 液氧泵全流道全三维流场正问题计算及分析
• 3.1 泵全流道全三维流场正问题计算及分析的目的
• 3.2 泵内液氧流动数值模拟方法
• 3.2.1 液氧泵内的流体运动基本方程
• 3.2.2 泵内液氧湍流
• 3.2.2.1 泵内液氧湍流特征
• 3.2.2.2 泵内液氧湍流模型
• 3.2.3 液氧泵数值离散方法
• 3.2.4 液氧泵数值模拟的求解方法
• 3.3 液氧泵全流场的三维建模及网格划分
• 3.3.1 三维建模
• 3.3.2 网格划分
• 3.4 多重参考坐标系及边界条件
• 3.5 数值计算结果及分析
• 3.5.1 压力分布
• 3.5.1.1 从压力分布图分析水力设计的合理处
• 3.5.1.2 从压力分布图发现的问题
• 3.5.2 速度矢量分布
• 3.5.2.1 从流量分布图分析水力设计的合理处
• 3.5.2.2 从流量分布图发现的问题
• 3.6 本章小结
• 第4章 液氧泵“反—正—反”迭代耦合
• 4.1 “反—正—反”迭代耦合
• 4.1.1 正问题分析出液氧泵需进一步优化设计的方向
• 4.1.2 再次反问题优化一维设计
• 4.2 再次全流道全三维流场正问题数值计算
• 4.2.1 全流场的三维建模
• 4.2.2 三维模型输入前处理软件 GAMBIT
• 4.2.3 网格生成和计算模型的选取
• 4.2.4 多重参考坐标系及边界条件
• 4.2.5 数值计算结果分析
• 4.2.5.1 压力分布分析
• 4.2.5.2 速度矢量分布
• 4.3 本章小结
• 第5章 液氧泵的试验
• 5.1 液氧泵的液氮试验
• 5.1.1 液氮试验系统
• 5.1.2 液氮试验数据
• 5.1.3 液氮试验结果比对
• 5.2 液氧泵在 XX 基地液氧加注系统中的试验
• 5.2.1 试验数据
• 5.2.2 液氧加注结果比对
• 5.2.3 泵的效率实测值
• 5.2.4 对该液氧泵的水力性能评价
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历