摘要：微型高速離心式燃油泵是小型無(wú)人飛行器、靶機(jī)、精確制導(dǎo)武器等航空平臺(tái)燃油系統(tǒng)的核心做功部件，其空化特性直接決定了動(dòng)力系統(tǒng)的高空適應(yīng)性與運(yùn)行可靠性。本文以某型帶長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)的微型高速燃油泵為研究對(duì)象，采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，開(kāi)展了不同流量、不同進(jìn)口壓力工況下的空化內(nèi)部流動(dòng)三維數(shù)值模擬；依據(jù)HB 6171—1988《航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵汽蝕持久性試驗(yàn)方法》搭建燃油泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，完成了不同轉(zhuǎn)速、不同模擬飛行高度下的泵外特性測(cè)試、空化可視化試驗(yàn)與 X/Y/Z 三軸向振動(dòng)加速度采集，系統(tǒng)分析了泵內(nèi)空化演變規(guī)律與空化誘發(fā)的振動(dòng)特性。研究結(jié)果表明：流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力（飛行高度）對(duì)微型高速燃油泵的空化特性具有顯著影響；小流量工況下空泡初生于葉片吸力面頭部，易在進(jìn)口彎管內(nèi)聚集，大流量工況下空泡初生于葉片壓力面頭部，主要在葉輪流道內(nèi)發(fā)展，葉輪最大含氣率可達(dá) 70%；空化發(fā)生后，泵體 2 倍葉頻處的振動(dòng)峰值隨空化程度加劇顯著降低，同時(shí)激發(fā)寬頻高頻振動(dòng)信號(hào)，該高頻分量可作為泵內(nèi)空化程度的有效表征。本文研究成果可為微型高速燃油泵的空化判別、空化抑制設(shè)計(jì)與高空穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支撐和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微型高速燃油泵；空化特性；數(shù)值模擬；SST k-ω 湍流模型；ZGB 空化模型；振動(dòng)特性

第一章、微型高速燃油泵應(yīng)用及空化研究

隨著小型無(wú)人航空平臺(tái)、精確制導(dǎo)武器技術(shù)的快速發(fā)展，航空動(dòng)力系統(tǒng)正向高功率密度、小型化、高環(huán)境適應(yīng)性方向迭代，對(duì)核心供油部件的性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。微型高速燃油泵作為燃油系統(tǒng)的動(dòng)力核心，其核心功能是將油箱內(nèi)的燃油以穩(wěn)定的壓力和流量供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)，直接決定了動(dòng)力系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與飛行平臺(tái)的任務(wù)可靠性。其中，低比轉(zhuǎn)速離心式燃油泵憑借轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積重量小、供油平穩(wěn)、成本低、工作可靠等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前微型航空燃油泵的主流結(jié)構(gòu)形式。

微型高速燃油泵的工作環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是在高空飛行工況下，環(huán)境大氣壓力隨海拔升高顯著降低，同時(shí)環(huán)境溫度的大幅波動(dòng)會(huì)改變?nèi)加偷娘柡驼羝麎?，極易誘發(fā)泵內(nèi)燃油空化現(xiàn)象?？栈l(fā)生時(shí)，泵內(nèi)局部壓力低于燃油飽和蒸汽壓，燃油發(fā)生液相向氣相的相變，產(chǎn)生大量氣泡；氣泡隨流體流動(dòng)至高壓區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)潰滅，引發(fā)一系列有害效應(yīng)：一方面會(huì)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程、效率等外特性顯著下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成流道阻塞、供油中斷，引發(fā)動(dòng)力系統(tǒng)停機(jī)；另一方面，氣泡的初生、生長(zhǎng)與潰滅會(huì)誘發(fā)泵內(nèi)流動(dòng)紊亂、葉片載荷突變、壁面空蝕，同時(shí)會(huì)加劇泵體的振動(dòng)與噪聲，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重降低燃油泵的使用壽命與可靠性。因此，開(kāi)展微型高速燃油泵的空化流動(dòng)機(jī)理與空化特性研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)離心泵空化問(wèn)題已開(kāi)展了大量研究，取得了豐富的研究成果。在空化數(shù)值模擬方法方面，王維軍等基于改進(jìn)的空化模型與修正的 RNG k-ε 湍流模型，對(duì)離心泵設(shè)計(jì)工況下的初生空化、發(fā)展空化與嚴(yán)重空化全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，精準(zhǔn)劃定了空化區(qū)域分布與空化類型，為離心泵空化數(shù)值模擬的模型優(yōu)化提供了思路；趙偉國(guó)等采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，系統(tǒng)研究了離心泵空化發(fā)生過(guò)程中的壓力脈動(dòng)規(guī)律與空泡體積演變特性，揭示了空化發(fā)展與流場(chǎng)不穩(wěn)定之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，驗(yàn)證了該耦合模型在離心泵空化模擬中的適用性；RAKIBUZZAMAN 等采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的手段，獲得了多級(jí)離心泵的空化流動(dòng)規(guī)律，明確了級(jí)間壓力驟降的核心誘因是空化導(dǎo)致的流道阻塞，為多級(jí)泵空化性能優(yōu)化提供了依據(jù)。在空化流動(dòng)特性與抑制研究方面，宋文武等針對(duì)離心泵進(jìn)口回流漩渦誘發(fā)的空化空蝕問(wèn)題，研發(fā)了孔板式空化抑制裝置，通過(guò)優(yōu)化進(jìn)口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有效抑制了進(jìn)口回流與空化初生；王東偉等通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試，揭示了空化條件下離心泵葉輪內(nèi)的非定常流場(chǎng)特性與壓力脈動(dòng)特征，明確了空泡潰滅是葉輪內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)的核心來(lái)源。

但現(xiàn)有研究仍存在明顯的局限性：絕大多數(shù)研究以清水為介質(zhì)，針對(duì)常規(guī)尺寸離心泵的空化特性開(kāi)展，針對(duì)航空燃油介質(zhì)、微型流道、高轉(zhuǎn)速工況下的燃油泵空化特性研究報(bào)道較少。微型高速燃油泵具有流道尺寸小、工作轉(zhuǎn)速高、介質(zhì)物性與清水差異大、雷諾數(shù)偏低等特點(diǎn)，其空化流動(dòng)機(jī)理與常規(guī)離心泵存在顯著差異；同時(shí)，現(xiàn)有研究較少將空化流動(dòng)演變規(guī)律與泵體振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，而振動(dòng)信號(hào)是工程中在線判別泵內(nèi)空化程度的最便捷手段?；诖耍疚囊阅承臀⑿透咚偃加捅脼檠芯繉?duì)象，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究不同工況下泵內(nèi)空化演變規(guī)律與空化誘發(fā)的振動(dòng)特性，為該類泵的空化防控與性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

第二章、研究對(duì)象與數(shù)值計(jì)算方法

2.1 燃油泵基本參數(shù)與三維模型

本文研究對(duì)象為某型微型高速燃油泵該燃油泵采用低比轉(zhuǎn)速離心式結(jié)構(gòu)，額定流量120L/h；額定增壓40kPa；額定轉(zhuǎn)速7,200r/min；葉輪配置4枚長(zhǎng)葉片和4枚短葉片的組合方案，短葉片可有效改善葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分布，抑制葉片尾緣的流動(dòng)分離和射流-尾跡結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)提升泵的抗空化性能具有積極作用。蝸殼采用等截面環(huán)形設(shè)計(jì)，蝸殼寬度5 mm，與葉輪出口寬度相匹配，保證葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜耦合具有良好的水力匹配性。

基于上述二維水力設(shè)計(jì)參數(shù)，利用三維建模軟件構(gòu)建燃油泵全流道幾何模型，計(jì)算域包括進(jìn)口延伸段、葉輪旋轉(zhuǎn)域和蝸殼靜止域三部分。進(jìn)口延伸段設(shè)置為6倍進(jìn)口管徑長(zhǎng)度，以保證來(lái)流的充分發(fā)展；出口延伸段設(shè)置為3倍出口管徑長(zhǎng)度，以消除回流對(duì)出口邊界的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

三維模型的網(wǎng)格劃分采用Ansys Workbench Mesh完成。進(jìn)口延伸段采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證進(jìn)口來(lái)流的網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度；葉輪和蝸殼區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體自適應(yīng)網(wǎng)格，并在離心葉片表面布置邊界層網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以準(zhǔn)確捕捉近壁面區(qū)域的流動(dòng)特征和空泡分布。

為了獲得經(jīng)濟(jì)合理的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量與時(shí)間步長(zhǎng)，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性原則確定了最終的計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模。當(dāng)最小網(wǎng)格尺度小于或等于0.4 mm時(shí)，泵的增壓值與扭矩計(jì)算結(jié)果基本不再變化，此時(shí)網(wǎng)格總數(shù)約為200萬(wàn)。在此網(wǎng)格條件下，離心葉片和蝸殼壁面的Y?分布滿足SST k-ω湍流模型對(duì)近壁面網(wǎng)格質(zhì)量的要求，Y?最大值控制在25以內(nèi)，能夠有效解析粘性底層內(nèi)的速度梯度，保證了近壁面湍流計(jì)算的精度。

2.3 控制方程與湍流模型

燃油泵內(nèi)部流動(dòng)可視為三維不可壓縮、高度充分的湍流，其控制方程為雷諾時(shí)均Navier-Stokes（RANS）方程與連續(xù)性方程。湍流模型選用SST k-ω模型，該模型通過(guò)混合函數(shù)F?在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域切換為k-ε模型的變形形式，從而兼具了兩者的優(yōu)勢(shì)。SST k-ω模型對(duì)逆壓梯度引起的流動(dòng)分離和再附具有較好的預(yù)測(cè)能力，尤其適用于離心泵葉輪流道內(nèi)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)湍流模擬。

在近壁面處理方面，SST k-ω模型采用自動(dòng)壁面函數(shù)方法，根據(jù)第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的Y?值自動(dòng)切換粘性子層解析模式和壁面函數(shù)模式，保證了不同網(wǎng)格尺度下近壁面計(jì)算的穩(wěn)定性和精度。

2.4 空化模型

空化模擬采用Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）空化模型，該模型基于簡(jiǎn)化的Rayleigh-Plesset氣泡動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)引入氣相體積分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程來(lái)描述空泡的生成、發(fā)展及潰滅過(guò)程。氣相體積分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程中，蒸發(fā)項(xiàng)和凝結(jié)項(xiàng)分別由下式控制：

其中，α?為氣相體積分?jǐn)?shù)，p?為飽和蒸汽壓，R_B為空泡半徑，F(xiàn)_{vap}和F_{cond}分別為蒸發(fā)和凝結(jié)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，α_{nuc}為氣核體積分?jǐn)?shù)。ZGB模型在離心泵空化模擬中具有良好的收斂性和預(yù)測(cè)精度，被廣泛應(yīng)用于各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械的空化數(shù)值研究。

2.5 邊界條件與求解設(shè)置

無(wú)空化流場(chǎng)模擬以SST k-ω湍流模型進(jìn)行定常計(jì)算，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量出口。葉輪旋轉(zhuǎn)域與蝸殼靜止域、進(jìn)口段靜止域之間的動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法（Frozen Rotor）處理，該方法通過(guò)周向平均方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜交界面上的信息傳遞，適用于定常計(jì)算。收斂精度設(shè)為10??。

空化模擬計(jì)算以無(wú)空化定常計(jì)算結(jié)果作為初始流場(chǎng)，開(kāi)啟ZGB空化模型和均相流多相模型，通過(guò)逐步降低進(jìn)口壓力使燃油泵發(fā)生空化。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為穩(wěn)定總壓進(jìn)口（Stable Total Pressure），出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量出口（Bulk Mass Flow Rate）。葉輪和蝸殼壁面采用無(wú)滑移光滑壁面條件（Smooth No-slip Wall）。求解的收斂精度同樣設(shè)為1×10??，監(jiān)測(cè)計(jì)算參數(shù)的殘差隨迭代步長(zhǎng)的變化。

2.6 介質(zhì)物性參數(shù)

計(jì)算介質(zhì)采用Jet A Liquid，其物性參數(shù)等同于國(guó)產(chǎn)RP-3航空煤油。在30℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度下，介質(zhì)密度為780 kg/m3，飽和蒸汽壓為4.25 kPa。RP-3航空煤油作為廣泛使用的航空燃料，其熱物性隨溫度的變化規(guī)律已被系統(tǒng)研究——密度、粘度及飽和蒸汽壓均隨溫度升高而降低，而比熱容則隨溫度升高而增大?？栈M中，液相和氣相之間通過(guò)飽和蒸汽壓作為相變的壓力閾值，當(dāng)局部靜壓低于飽和蒸汽壓時(shí)，液相轉(zhuǎn)化為氣相；反之，氣相凝結(jié)為液相。

第三章、試驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)試系統(tǒng)搭建

3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

燃油泵空化試驗(yàn)依據(jù)HB 6171—1988《航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵汽蝕持久性試驗(yàn)方法》搭建綜合性能試驗(yàn)臺(tái)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)定規(guī)定的汽-液比條件下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵抗汽蝕能力的試驗(yàn)方法，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的所有泵，包括發(fā)動(dòng)機(jī)輔助燃油泵、主系統(tǒng)燃油泵和加力系統(tǒng)燃油泵。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定試驗(yàn)對(duì)象的海拔高度或爬升率，但試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)抽真空方式調(diào)節(jié)油箱內(nèi)絕對(duì)壓力，可模擬燃油泵在不同飛行高度（對(duì)應(yīng)不同大氣壓力）下的進(jìn)口壓力條件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空化過(guò)程的定量研究。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

燃油泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)由燃油循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)五部分構(gòu)成。

燃油循環(huán)系統(tǒng)包括燃油油箱、進(jìn)口管路、燃油泵、出口管路、流量調(diào)節(jié)閥及回油管路。油箱容量設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)工況下的持續(xù)運(yùn)行需求，進(jìn)口管路配置過(guò)濾器以防止雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)，出口管路設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥和渦輪流量計(jì)，用于精確控制并測(cè)量流量。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用有刷直流電機(jī)，通過(guò)可調(diào)直流電源實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制。試驗(yàn)中分別測(cè)試了供電電壓為33 V、29 V和24 V三種工況，對(duì)應(yīng)燃油泵轉(zhuǎn)速分別為8,138 r/min、7,125 r/min和5,933 r/min。

壓力調(diào)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)是空化試驗(yàn)的核心部分。油箱頂部通過(guò)真空管路連接至真空泵，通過(guò)抽真空方式降低油箱內(nèi)絕對(duì)壓力，模擬燃油泵在高空低氣壓環(huán)境下的進(jìn)口條件。進(jìn)口壓力采用絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量，精度等級(jí)為0.1級(jí)；出口壓力采用表壓傳感器測(cè)量；進(jìn)、出口溫度采用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩及電流等多通道信號(hào)的同步采集，采用工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率可根據(jù)試驗(yàn)需要靈活設(shè)置。所有傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)專用測(cè)試軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和處理。

3.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是本文研究空化振動(dòng)特征的核心測(cè)試手段。沿燃油泵殼體布置三個(gè)加速度傳感器，分別測(cè)量X、Y、Z三個(gè)軸向的振動(dòng)加速度信號(hào)。其中，X方向?qū)?yīng)進(jìn)口管方向（垂直于葉輪進(jìn)口截面），Y方向?qū)?yīng)泵出口方向，Z方向?qū)?yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸方向。三個(gè)方向的正交布置能夠全面捕捉燃油泵在不同振動(dòng)模態(tài)下的響應(yīng)特征。

加速度傳感器采用某通用型單軸加速度傳感器，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍覆蓋燃油泵主要振動(dòng)頻段。信號(hào)采集采用八通道INV3062-C2(L)型信號(hào)采集儀，采樣頻率范圍為6.25～51,200 Hz，可根據(jù)分析需要靈活設(shè)置。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)采集儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，包括快速傅里葉變換（FFT）、功率譜密度（PSD）估計(jì)及頻譜特征提取等。為消除環(huán)境噪聲干擾，每組工況下重復(fù)采集多次數(shù)據(jù)并取平均，同時(shí)采集背景噪聲作為基準(zhǔn)對(duì)照。

第四章、試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同轉(zhuǎn)速下的外特性分析

燃油泵在三種供電電壓（33 V、29 V和24 V）下的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：供電電壓U=33 V時(shí)，轉(zhuǎn)速n=8,138 r/min；U=29 V時(shí)，n=7,125 r/min；U=24 V時(shí)，n=5,933 r/min。三種轉(zhuǎn)速下的外特性曲線變化趨勢(shì)一致——增壓值均隨流量的增加而單調(diào)減小，功率隨流量的增加而單調(diào)增大，變化幅度較為平坦，符合泵相似定律的基本規(guī)律。這一規(guī)律表明，在不同轉(zhuǎn)速下，燃油泵的流體動(dòng)力學(xué)行為具有良好的相似性和可預(yù)測(cè)性，為轉(zhuǎn)速換算和性能預(yù)估提供了基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將額定工況29 V時(shí)轉(zhuǎn)速7,125 r/min下的性能換算至額定轉(zhuǎn)速7,200 r/min，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于增壓-流量曲線，增壓值隨流量增大而減小，數(shù)值模擬得到的增壓值在不同流量下均略大于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相對(duì)誤差為4.3%～6.9%。對(duì)于效率-流量曲線，泵效率隨流量增大而增大，在額定流量120 L/h時(shí)達(dá)到最大值，數(shù)值模擬得到的模型效率始終高于試驗(yàn)值。這一差異主要來(lái)源于數(shù)值模擬中忽略了壁面摩擦等機(jī)械損失，但兩者之間的誤差小于10%?？紤]到空化模擬本身的復(fù)雜性和不確定性，這一誤差水平在工程可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文所采用數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。

4.2 空化數(shù)值模擬分析

4.2.1 葉柵切片上的空泡演變

不同流量工況下，不同有效空化余量NPSH時(shí)葉柵切片內(nèi)的空泡演變過(guò)程呈現(xiàn)出顯著差異。隨著NPSH的減小，葉柵內(nèi)空泡體積逐漸增加，空泡在葉柵中的發(fā)展變化規(guī)律與流量大小密切相關(guān)。

在20 L/h小流量工況下，當(dāng)NPSH=0.33 m時(shí)，空泡初始產(chǎn)生于葉片吸力面頭部。此時(shí)葉柵上游來(lái)流與葉柵形成較大正沖角，在葉片背部（吸力面）產(chǎn)生局部低壓區(qū)，導(dǎo)致空泡首先在此處形成。隨著NPSH進(jìn)一步降低，空泡在葉柵內(nèi)部逐漸擴(kuò)散到葉片壓力面，體積迅速增大，直至阻塞整個(gè)流道，最終擴(kuò)散到葉柵上游形成完全空化，導(dǎo)致流道內(nèi)流體連續(xù)性中斷。小流量工況下空泡向上游擴(kuò)散的特征，與葉輪進(jìn)口彎管內(nèi)的流動(dòng)分離和回流渦密切相關(guān)——回流渦中心的低壓區(qū)為空泡在上游的聚集提供了條件。

與20 L/h工況形成鮮明對(duì)比的是，在120 L/h大流量工況下，空泡的產(chǎn)生位置和發(fā)展方向截然不同。當(dāng)NPSH=3.4～4.0 m時(shí)，空泡首先產(chǎn)生于葉片壓力面頭部而非吸力面，并且擴(kuò)散后充滿了葉柵流道及整個(gè)下游葉輪流道，而非向上游擴(kuò)散。大流量工況下，葉柵入口處對(duì)來(lái)流產(chǎn)生強(qiáng)烈的排擠效應(yīng)，流速急劇增大，靜壓顯著降低，在壓力面頭部形成低壓區(qū)從而誘發(fā)空泡。隨著NPSH的降低，空泡沿流道向下游擴(kuò)展，最終在葉輪流道和蝸殼內(nèi)聚集。

60 L/h中間流量工況下的空泡演變特征介于小流量和大流量之間，表現(xiàn)為空泡在吸力面頭部初生后，同時(shí)向上游進(jìn)口彎管和下游葉輪流道兩個(gè)方向擴(kuò)散，呈現(xiàn)出過(guò)渡性特征。

4.2.2 葉輪中間截面上的空泡演變

空泡在葉輪各流道內(nèi)的分布呈現(xiàn)出一定的不均勻性，這是由于葉輪各流道流動(dòng)狀態(tài)的不均勻所致。與葉柵展開(kāi)圖相對(duì)應(yīng)，不同流量工況下空泡分布的演變規(guī)律存在本質(zhì)差異。

小流量工況下，空泡在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生后，并非主要聚集在葉輪流道內(nèi)部，而是聚集在進(jìn)口彎管內(nèi)，隨著NPSH降低，空泡體積在進(jìn)口彎管內(nèi)持續(xù)增大，最終形成氣腔導(dǎo)致斷流。這種“上游型空化”特征意味著小流量工況下空化發(fā)展的主要威脅是進(jìn)口段的阻塞而非葉輪本身的做功能力下降。

大流量工況下，產(chǎn)生的空泡主要在葉輪流道內(nèi)聚集，甚至擴(kuò)散到蝸殼內(nèi)部?？张菅厝~片表面從頭部向尾緣發(fā)展，阻塞葉輪流道的有效過(guò)流面積，導(dǎo)致葉輪做功能力急劇下降。同時(shí)，蝸殼內(nèi)含氣率的增加會(huì)進(jìn)一步惡化泵的出口壓力穩(wěn)定性。

4.2.3 過(guò)流部件含氣率分析

不同流量工況下過(guò)流部件含氣率的定量分析表明，空化產(chǎn)生的燃油蒸氣主要存在于葉輪流道及進(jìn)口管道內(nèi)。隨NPSH的降低，進(jìn)口段與葉輪中的含氣率均呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)，但不同流量工況下的增長(zhǎng)速率和分布特征存在顯著差異。

20 L/h流量工況下，當(dāng)NPSH>0.13 m時(shí)，進(jìn)口段含氣率始終小于5%；但當(dāng)NPSH降至0.13 m以下時(shí)，進(jìn)口段含氣率迅速增大，最大可達(dá)50%。葉輪中的含氣率變化趨勢(shì)與之類似。這一結(jié)果表明，小流量工況下空化發(fā)展的臨界NPSH約為0.13 m，低于該值時(shí)空泡在進(jìn)口段內(nèi)急劇累積，導(dǎo)致斷流。

60 L/h流量工況下，當(dāng)NPSH>0.58 m時(shí)，進(jìn)口段含氣率小于5%；當(dāng)NPSH降至0.13～0.58 m之間時(shí)，進(jìn)口段含氣率快速增大至30%，葉輪含氣率最大可達(dá)45%。臨界NPSH的升高反映了中間流量工況下空化發(fā)生的敏感性增強(qiáng)。

120 L/h流量工況下，當(dāng)NPSH<0.6 m時(shí)，進(jìn)口段含氣率始終小于5%，說(shuō)明大流量工況下空泡主要不在進(jìn)口段聚集；而葉輪含氣率最大可達(dá)70%，蝸殼含氣率最大至12%。葉輪內(nèi)極高的含氣率解釋了為何大流量工況下泵的增壓性能在空化發(fā)生后急劇下降——葉輪流道被空泡嚴(yán)重阻塞，有效做功面積大幅減小。

4.2.4 可視化空泡演變

為直觀驗(yàn)證空泡的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程，采用透明樹(shù)脂材料3D打印燃油泵殼體，經(jīng)拋光處理后進(jìn)行空化可視化試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)抽真空方式逐步降低油箱內(nèi)絕對(duì)壓力，模擬燃油泵在高空低氣壓環(huán)境下的運(yùn)行條件。

隨著油箱內(nèi)壓力的降低，仿真與可視化試驗(yàn)均可清晰觀察到空泡初生的位置位于進(jìn)口彎管的內(nèi)側(cè)壁面處。這一位置對(duì)應(yīng)來(lái)流轉(zhuǎn)向時(shí)的流動(dòng)分離區(qū)，局部低壓為氣相析出提供了條件。隨著進(jìn)口壓力的進(jìn)一步降低，空泡區(qū)域從彎管內(nèi)壁面向吸入彎管中心擴(kuò)散并逐漸增大，形成明顯的氣-液兩相分界面。當(dāng)進(jìn)口壓力降低至臨界值以下時(shí)，空泡體積急劇膨脹，最終充滿整個(gè)進(jìn)口管道截面，導(dǎo)致完全斷流?？梢暬囼?yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的空泡初生位置和發(fā)展過(guò)程吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

第五章、空化振動(dòng)特性分析

5.1 無(wú)空化時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)特征

在無(wú)空化條件下，燃油泵的振動(dòng)頻譜呈現(xiàn)出與葉輪旋轉(zhuǎn)頻率直接相關(guān)的特征分布。在所有測(cè)試轉(zhuǎn)速下，功率譜密度（PSD）的最大峰值均出現(xiàn)在16倍轉(zhuǎn)頻（fn）處，即2倍葉頻（2×BPF）。該峰值對(duì)應(yīng)于葉輪葉片周期性掠過(guò)蝸殼隔舌時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)靜干涉激振力，是離心泵最主要的振動(dòng)激勵(lì)源。Z方向的振動(dòng)峰值均大于X、Y方向，這是由于Z方向（旋轉(zhuǎn)軸方向）受到電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡力和軸承軸向力的共同作用，振動(dòng)響應(yīng)更為顯著。此外，在轉(zhuǎn)頻fn處也存在明顯的峰值，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子不平衡引起的基頻振動(dòng)。

在偏離額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的轉(zhuǎn)速（8,138 r/min和5,933 r/min）運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)方向的功率譜密度峰值均大于額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)（7,125 r/min）的峰值。這一現(xiàn)象說(shuō)明，在額定轉(zhuǎn)速工況下，泵內(nèi)流體激振力更小，流動(dòng)能量損耗較低，泵的水力設(shè)計(jì)在額定點(diǎn)附近達(dá)到了最優(yōu)匹配。具體而言：轉(zhuǎn)速為8,138 r/min時(shí)，不同流量工況下的功率譜密度峰值幾乎不變，說(shuō)明高轉(zhuǎn)速下振動(dòng)對(duì)流量變化不敏感；轉(zhuǎn)速為7,125 r/min時(shí)，60 L/h流量工況下各方向功率譜密度峰值最小，表明該工況點(diǎn)流動(dòng)最為平穩(wěn)；轉(zhuǎn)速為5,933 r/min時(shí)，120 L/h流量工況下各方向功率譜密度峰值最小，反映了低轉(zhuǎn)速下大流量工況的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)。

5.2 轉(zhuǎn)速n=8,138 r/min時(shí)的空化振動(dòng)特性

燃油泵在轉(zhuǎn)速8,138 r/min時(shí)，不同飛行高度（對(duì)應(yīng)不同進(jìn)口壓力）下的振動(dòng)特性呈現(xiàn)出規(guī)律性的演變。通過(guò)對(duì)比無(wú)空化狀態(tài)下的同工況振動(dòng)特性，可以清晰識(shí)別空化對(duì)振動(dòng)頻譜的影響機(jī)制。

高度為5,000 m時(shí)，燃油泵已進(jìn)入空化流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，各方向振動(dòng)頻率分布的整體格局未發(fā)生根本性改變，最大峰值頻率仍為2倍葉頻（16fn）。然而，Z方向的振動(dòng)峰值大小下降明顯，下降幅度達(dá)到85%左右，并激發(fā)出較寬頻率范圍的高頻振動(dòng)信號(hào)。X、Y方向的振動(dòng)峰值大小變化相對(duì)較小。這一現(xiàn)象表明，空化初期液體斷流導(dǎo)致葉頻下的流體動(dòng)靜干涉激振力減弱，但空泡的產(chǎn)生和潰滅等非穩(wěn)態(tài)過(guò)程激發(fā)了更高頻段的振動(dòng)能量。各流量工況下的振動(dòng)頻譜峰值分布與大小接近且變化規(guī)律相類似。

隨著高度進(jìn)一步增加至9,000 m，空化流動(dòng)程度加劇。20 L/h和120 L/h流量工況下，X、Y方向的振動(dòng)峰值下降至原來(lái)的70%左右，60 L/h工況下降幅度較小。Z方向在高度為5,000 m時(shí)已出現(xiàn)非葉頻倍頻的振動(dòng)信號(hào)，高度增加后，振動(dòng)能量峰值進(jìn)一步減弱。伴隨峰值的降低，所有方向均激發(fā)出較高頻率的振動(dòng)信號(hào)，特別是在X、Y方向上，振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)了明顯的高頻寬頻成分。高頻信號(hào)的產(chǎn)生源于空泡潰滅時(shí)釋放的沖擊波能量——空泡在高壓區(qū)瞬間潰滅時(shí)，周圍液體以極高的速度填充空泡空間，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈沖，激勵(lì)殼體產(chǎn)生高頻振動(dòng)響應(yīng)。

5.3 轉(zhuǎn)速n=5,933 r/min時(shí)的空化振動(dòng)特性

當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至5,933 r/min時(shí)，燃油泵的振動(dòng)頻率分布更加清晰，頻譜中可明顯識(shí)別出2倍葉頻、4倍葉頻（32fn）及轉(zhuǎn)頻（fn）的振動(dòng)峰值信號(hào)。低轉(zhuǎn)速下流體激振力減弱，頻譜結(jié)構(gòu)更加單純，有利于各頻率成分的分離與識(shí)別。

在5,000 m飛行高度發(fā)生空化后，振動(dòng)頻譜出現(xiàn)了值得關(guān)注的變化：Z方向的4倍葉頻振動(dòng)功率譜密度大小顯著增大，而2倍葉頻的變化不明顯。4倍葉頻的突增可能與空化條件下葉片間流動(dòng)的不對(duì)稱性增強(qiáng)有關(guān)——當(dāng)部分流道被空泡阻塞而相鄰流道仍保持通暢時(shí)，葉輪周向流動(dòng)的均勻性被破壞，產(chǎn)生二次諧波和更高次諧波的激振力。隨著高度的增加（空化程度加深），2倍葉頻和轉(zhuǎn)頻下的振動(dòng)功率譜密度幅值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但Z方向4倍葉頻的振動(dòng)功率譜密度幅值有所增大。這一趨勢(shì)表明，在不同轉(zhuǎn)速條件下，空化對(duì)振動(dòng)頻譜的影響既有共性規(guī)律（低頻峰值下降、高頻成分增加），也存在轉(zhuǎn)速相關(guān)的特異性差異。

5.4 空化振動(dòng)特征的綜合討論

綜合以上分析，微型高速燃油泵在空化條件下的振動(dòng)特性可歸納如下規(guī)律：空化發(fā)生時(shí)，每個(gè)軸向在2倍葉頻處均出現(xiàn)明顯的振動(dòng)峰值，依次增大趨勢(shì)為Z、Y、X方向；隨著高度增加、空化程度加劇，各方向振動(dòng)頻譜的最大峰值均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但與此同時(shí)激發(fā)出較高頻率的寬頻振動(dòng)信號(hào)（頻率大于2倍葉頻）；振動(dòng)功率譜密度幅值的變化規(guī)律與空化發(fā)展程度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系——峰值降低的幅度和高頻成分的能量占比可作為泵內(nèi)空化程度的有效表征。

上述規(guī)律的物理機(jī)制可解釋為：空化發(fā)生后，液體介質(zhì)的連續(xù)性被破壞，葉輪流道內(nèi)的空泡區(qū)域減小了流體與葉片的有效接觸面積，從而削弱了葉頻下的動(dòng)靜干涉激振力，導(dǎo)致葉頻振動(dòng)峰值降低；與此同時(shí)，空泡的產(chǎn)生、遷移和潰滅是一個(gè)高度非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，空泡潰滅時(shí)釋放的沖擊波能量頻譜較寬，主要集中在中高頻段（2～5 kHz），從而激發(fā)出殼體的高頻振動(dòng)響應(yīng)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)燃油泵殼體在葉頻和高頻段的振動(dòng)能量變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵內(nèi)空化狀態(tài)的在線識(shí)別和程度評(píng)估。

第六章、燃油泵空化特性與振動(dòng)特性的影響總結(jié)

本文以某型微型高速離心式燃油泵為研究對(duì)象，采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，開(kāi)展了不同工況下的空化流動(dòng)數(shù)值模擬，搭建了符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，完成了外特性、空化可視化與振動(dòng)特性測(cè)試，系統(tǒng)研究了流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力（飛行高度）對(duì)泵空化特性與振動(dòng)特性的影響，得到以下核心結(jié)論：

本文采用的數(shù)值模型具有良好的準(zhǔn)確性，增壓計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為 4.3%~6.9%，效率計(jì)算值的相對(duì)誤差小于 10%，空化演變過(guò)程與可視化試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，可為微型高速燃油泵的空化數(shù)值模擬提供可靠的模型方案。

微型高速燃油泵的空化演變規(guī)律與流量工況密切相關(guān)：小流量工況下，空泡初生于葉片吸力面頭部，易在進(jìn)口彎管內(nèi)聚集，導(dǎo)致進(jìn)口段含氣率大幅升高，最高可達(dá) 50%；大流量工況下，空泡初生于葉片壓力面頭部，主要在葉輪流道內(nèi)發(fā)展，葉輪最大含氣率可達(dá) 70%，蝸殼最大含氣率約 12%；隨著空化余量降低，空泡逐步擴(kuò)散至整個(gè)流道，最終導(dǎo)致泵斷流。

無(wú)空化狀態(tài)下，泵體振動(dòng)的核心激勵(lì)源為葉片與蝸殼的動(dòng)靜干涉，最大振動(dòng)峰值出現(xiàn)在 2 倍葉頻處，Z 向振動(dòng)幅值顯著大于 X、Y 向；額定轉(zhuǎn)速工況下的整體振動(dòng)水平最低，流動(dòng)穩(wěn)定性最好，偏離額定轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)幅值顯著升高。

空化的發(fā)生與發(fā)展會(huì)顯著改變泵體的振動(dòng)特性：隨著空化程度加劇，葉頻及其倍頻的振動(dòng)峰值顯著降低，同時(shí)會(huì)激發(fā)寬頻的高頻振動(dòng)信號(hào)，該高頻分量與空化發(fā)展程度密切相關(guān)，可作為泵內(nèi)空化程度的有效表征；不同轉(zhuǎn)速下空化誘發(fā)的振動(dòng)特性存在差異，高轉(zhuǎn)速下 2 倍葉頻峰值降幅顯著，低轉(zhuǎn)速下 4 倍葉頻的振動(dòng)分量會(huì)隨空化加劇而增強(qiáng)。

本文研究成果系統(tǒng)揭示了微型高速燃油泵的空化流動(dòng)機(jī)理與空化誘發(fā)的振動(dòng)特性，可為該類泵的空化判別、空化抑制設(shè)計(jì)與高空穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支撐與試驗(yàn)依據(jù)。后續(xù)研究將進(jìn)一步開(kāi)展空化抑制結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于振動(dòng)信號(hào)構(gòu)建空化程度在線監(jiān)測(cè)模型，提升微型高速燃油泵的高空適應(yīng)性與運(yùn)行可靠性。

&注：文章部分內(nèi)容引用于：【廉佳，王維軍，王曉全，王新超 ，鄒軼群，吳剛，微型高速燃油泵空化數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究】，由于小編水平有限，對(duì)所閱讀文獻(xiàn)的翻譯及總結(jié)難免有誤，錯(cuò)誤之處敬請(qǐng)指正，非常感謝。本公眾號(hào)推送內(nèi)容以交流學(xué)習(xí)為目的，并非商業(yè)用途，所使用的配圖均來(lái)源于公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)獲取，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系協(xié)商處理。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來(lái)持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

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