基于PumpLinx的高压航空燃油离心泵全工况非定常特性高精度仿真

随着航空发动机向高推重比、超音速巡航及大机动飞行能力方向发展，作为发动机燃油供应系统核心部件的高压燃油离心泵面临着愈加严峻的技术挑战。在现代航空推进系统中，高压燃油离心泵不仅需要提供稳定可靠的燃油输送功能，还必须适应极端工况下的复杂流动状态，包括高速旋转、高压变化及宽流量范围等工作条件。这些苛刻的工作环境导致泵内流场呈现出强烈的非定常特性，如尾迹流、势干扰、旋转失速和湍流等复杂流动现象，直接影响泵的性能稳定性及可靠性。

一、高压航空燃油离心泵数值模拟

近年来，随着计算流体动力学(CFD)技术的迅猛发展，采用数值模拟方法探究离心泵内部流动特性已成为研究热点。长安大学副教授李嘉等对高压航空燃油离心泵进行了数值模拟，通过与试验数据对比验证了仿真方法的有效性，并指出设计工况下叶轮流道内压力脉动主频为转频(f~n~)，而蜗壳流道内主频为叶频(f~b~)。通过数值仿真分析了离心泵间隙内的压力脉动变化，发现间隙内压力脉动的主频与叶频密切相关。周强等深入探索了导叶式离心泵内的静干涉作用机理，发现导叶流道进口处压力脉动主要为叶频，并沿叶轮旋转方向向下传播。

然而，在当前技术背景下，随着离心泵的工作环境更严酷、结构更紧凑、间隙效应更明显，流道的非定常特性也越来越强烈，传统的定常假设会导致性能分析结果产生较大误差，严重制约对离心泵性能潜力的深入挖掘。因此，将非定常流动特性纳入泵的常规设计体系，已成为提升航空燃油系统性能的必然趋势。

本文以某型高压燃油离心泵为研究对象，通过高精度数值模拟与实验验证相结合的方法，系统分析泵在全工作包线内的压力脉动特性及非定常流动结构。研究重点包括：利用快速傅里叶变换(FFT)分析关键位置的压力脉动时频特性；以相对速度、湍动能等为指标，探究泵内非定常流动结构的变化规律；并通过与试验数据对比验证仿真方法的可靠性。此外，本文还将结合湖南泰德航空技术有限公司在航空航天流体控制元件领域的创新实践，介绍其在电动离心泵方面的技术进展及工程应用情况。

二、高压燃油离心泵非定常仿真方法

2.1 几何建模与网格划分

本研究对象为某型高压燃油离心泵，其主要过流部件包括进口装置、叶轮和蜗壳三大核心部分。基于离心泵实际结构参数，首先在专业叶轮机械设计环境Cfturbo中完成叶轮和蜗壳的基本结构设计，确定包括叶片型线、包角、出口角及蜗壳隔舌安放角等关键几何参数。这些参数直接影响泵的水力性能，研究表明，叶片出口角的选择可基于水力损失计算进行优化。同时，万丽佳研究指出，叶片包角对低比转速离心泵的固液两相非定常流动有显著影响。

获得基本几何参数后，通过三维建模软件构建包括进口段、叶轮区域和蜗壳区域在内的全流道模型。为保证计算精度并兼顾计算效率，采用混合网格策略对计算域进行离散化处理。在近壁区域使用棱柱层网格以精确捕捉边界层内的流动细节，而在主流区域则采用四面体网格。特别注意的是，对叶轮与隔舌间的间隙区域以及叶顶间隙等关键部位进行局部网格加密，因为这些区域的流动状况对泵的性能和非定常特性有决定性影响。

网格质量直接影响仿真结果的可靠性，因此需进行严格的网格独立性验证。通过逐步增加网格数量（从200万至800万）并比较不同网格密度下泵的扬程和效率预测值，最终确定当网格数量达到500万时，性能参数的变化幅度小于1%，满足网格无关性要求。最终生成的网格模型中，叶轮区域网格数量约为300万，蜗壳区域约为150万，进口段约为50万，且所有近壁区域的y+值均控制在30以内，符合采用的湍流模型对近壁处理的要求。

2.2 控制方程与湍流模型

高压燃油离心泵内的流动为复杂的三维粘性不可压缩湍流运动，遵循质量守恒定律和动量守恒定律。本文采用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)作为控制方程，具体形式如下：

• 连续性方程：∂ρ/∂t + ∇·(ρU) = 0

三、压力脉动及非定常流动结果分析四、湖南泰德航空电动离心泵技术及应用五、结论与展望

• 动量方程：∂(ρU)/∂t + ∇·(ρU×U) = -∇p + ∇·(τ) + ρg + F

其中，ρ为流体密度，U为速度矢量，p为压力，τ为应力张量，g为重力加速度，F为体积力。

对于湍流模拟，选择SST k-ω湍流模型因其在逆压梯度流动和旋转机械内部流动预测方面的优越性能。该模型结合了k-ε模型在远场计算中的优势和标准k-ω模型在近壁区域的精确性，通过混合函数将两者有机结合。

针对非定常计算，采用大涡模拟(LES)方法捕捉瞬态流动结构。该方法直接解析大尺度涡结构，而通过亚网格尺度模型模拟小尺度涡的影响，能够在更大程度上揭示泵内非定常流动的本质特性。敏政等基于DDES湍流模型对离心泵多工况下的旋涡运动进行了非定常数值模拟，成功观测到了叶轮和蜗壳内的小尺度漩涡。

2.3 边界条件与数值设置

在边界条件设置方面，进口边界采用质量流量进口条件，根据不同工况设定相应的流量值，湍流参数按强度和水力直径定义。出口边界设置为压力出口条件，参考实际工作背压给定静压值。壁面处理上，所有固体壁面采用无滑移边界条件，近壁区域使用标准壁面函数处理。

对于旋转区域的处理，采用多参考坐标系(MRF)方法，将计算域划分为包含旋转叶轮的动区域和包含蜗壳及进口段的静区域，动静区域之间的数据交换通过交界面实现。为捕捉叶轮-蜗壳相互作用引起的非定常现象，使用滑移网格技术进行瞬态计算，时间步长对应叶轮旋转0.5°所需的时间，确保每个时间步长内叶轮转动角度适中，既能捕捉流动细节，又不会导致计算时间过长。

数值离散方面，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，压力-速度耦合使用SIMPLE算法求解。每个时间步长内，设置至少20次内迭代以保证残差下降至少三个数量级，确保解的收敛性。

2.4 性能验证方法

为验证数值模拟的准确性，需进行试验验证。试验系统主要包括驱动单元、测试泵段、参数测量系统及数据采集系统。测试过程中，通过调节比例流量阀控制泵的进口流量，使用压力变送器和体积流量计分别测量泵的出口压力和输出流量，进而计算泵的扬程和水力效率。

将仿真预测结果与泵的性能试验结果进行对比，主要包括扬程-流量特性和效率-流量特性两条性能曲线。研究表明，在设计流量工况下，数值模拟得到的扬程和效率与试验测量值的偏差均在5%以内，证明了所采用仿真方法的有效性。这种验证对于确保后续非定常特性分析结果的可靠性至关重要。

3.1 压力脉动分析

为深入研究高压燃油离心泵内的压力脉动特性，在泵内关键位置布置了一系列压力监测点。这些监测点主要包括：叶轮进口区域(P1)、叶轮流道中部(P2-P5)、叶轮出口区域(P6)以及蜗壳流道不同周向位置(P7-P12)。通过对这些监测点在不同工况下的压力信号进行采集与分析，并结合快速傅里叶变换(FFT)技术，系统揭示了泵内压力脉动的时频特性。

研究表明，在设计流量工况下，泵内压力脉动呈现出明显的周期性特征。叶轮流道内压力脉动的主频为转频f~n~（即叶轮旋转频率），而在蜗壳流道内压力脉动的主频则为叶频f~b~（即叶轮通过频率，f~b~ = Z·f~n~，其中Z为叶片数）。这一现象与李嘉等的研究结果一致。值得注意的是，不同监测点的压力脉动虽具有相似的变化规律，但其脉动幅值存在显著差异。叶轮出口与隔舌间隙区域的监测点P6表现出最大的脉动幅值，其脉动系数C~p~（定义为压力脉动幅值与动态压头的比值）达到0.35，远高于其他位置。这表明该区域是泵内流动最不稳定的部位。

在不同流量工况下，压力脉动特性表现出明显的工况依赖性。大流量工况下，由于流体流动方向的改变更为剧烈，叶轮进口处的压力脉动显著增强；而小流量工况下，由于流动分离和漩涡发展，叶轮出口和蜗壳舌部区域的压力脉动幅值明显增大。特别值得注意的是，当流量降至设计流量的30%时，压力信号中出现了低频成分，其频率约为0.2-0.3倍转频，这很可能与旋转失速现象相关。

压力脉动的传播特性也是分析的重点。研究发现，压力脉动从叶轮向蜗壳的传播过程中，其相位和幅值均发生变化。叶轮旋转引起的势流干扰是导致压力脉动产生和传播的主要机制。

3.2 典型非定常流动结构仿真结果分析

高压燃油离心泵内部的非定常流动结构对其性能和稳定性有着决定性影响。本研究基于高精度数值模拟，重点分析了漩涡结构、湍动能分布及相对速度场等关键流动特征。

在小流量工况（如0.3Q~d~）下，叶轮流道内出现了明显的大尺度漩涡结构。这些漩涡主要形成于叶片的吸力面侧，并从流道入口向出口发展。随着流量的减小，漩涡的尺寸和强度均显著增加，尤其集中在靠近隔舌区域的叶轮流道出口位置。袁建平等对中比转速离心泵进口回流特性的研究也观察到了类似现象，他们发现叶轮进口的流动状态可以分为螺旋状回流、螺旋状入流和轴向入流，且螺旋状回流的流动相比于轴线区域的轴向入流更加不稳定。

通过分析相对速度流线图可以发现，在设计流量工况下，叶轮内的相对速度流线分布均匀，无明显流动分离；而在小流量工况下，流线方向发生明显改变，在叶片吸力面出现明显的流动分离和回流区域。这种流动分离不仅增加了水力损失，降低了泵的效率，还会引发强烈的压力脉动，导致结构振动和噪声问题。

湍动能分布的分析进一步揭示了泵内的流动损失机制。研究表明，叶轮出口和隔舌区域的湍动能分布范围较大且变化强烈，表明这些区域存在显著的水力损失。特别是在小流量工况下，由于叶轮出口的射流-尾迹结构增强，湍动能分布范围进一步扩大，最大值出现在叶轮与隔舌的间隙区域。这一发现与李嘉等的研究结果一致，他们也观察到叶轮出口及隔舌区域的湍动能分布范围较大且变化强烈，此处存在一定的水力损失。

通过对涡量场的分析，可以清晰识别出泵内的涡结构演化过程。在叶轮旋转过程中，叶片表面会周期性地释放涡结构，这些涡结构随着主流向下游输运，并在遇到逆压梯度时发生破裂，进一步加剧了湍流混合损失。基于DDES的离心泵蜗壳内部涡动力学研究，也观察到了叶轮和蜗壳内的小尺度漩涡，并分析了它们的演化规律。

值得注意的是，叶轮与蜗壳的动静干涉效应在泵内非定常流动结构中扮演着关键角色。由于叶轮的旋转和蜗壳的静止状态，叶轮出口流动与蜗壳舌部之间产生强烈的相互作用，导致周期性变化的压力场和速度场。这种干涉效应在靠近舌部的区域最为强烈，随着轴向距离的增加而减弱。

湖南泰德航空技术有限公司基于多年技术积累，开发了一系列高性能电动离心泵产品，专门用于航空航天飞行器的燃油、润滑和冷却系统。这些产品融合了先进流体动力学设计、高效电机技术和精密控制算法，满足了航空领域对高可靠性、轻量化和高效能的严格要求。

4.1 湖南泰德航空电动离心泵的核心技术优势

高效气动设计：采用复合叶片技术，通过优化叶轮出口角、叶片包角等关键参数，扩大高效区范围。研究表明，基于粒子群算法的航空离心泵复合叶轮优化设计能有效提升泵的性能。

振动噪声控制：采用浮动转子设计与自平衡轴向力结构，有效降低运行过程中的振动与噪声。

宽工况适应性：基于对非定常流动特性的深入研究，优化泵的进口设计和叶轮结构，使泵在宽流量范围内保持稳定工作。

智能控制系统：集成流量、压力与温度传感器，结合先进控制算法，实现泵的智能调节与状态监控。系统能够根据飞行状态和发动机需求，实时调整泵的运行参数，确保最佳工作状态。

4.2 产品系列与应用场景

湖南泰德航空技术有限公司的电动离心泵产品已形成多个系列，满足不同应用场景的需求。在航空应用领域，湖南泰德航空的电动离心泵主要用于：

航空发动机燃油系统：作为主燃油泵或增压泵，为发动机提供稳定、连续的高压燃油供应。泵的高压性能和稳定性直接关系到发动机的工作可靠性和飞行安全。公司针对此类应用开发的燃油泵具有耐高压、抗汽蚀和快速响应的特点，能够适应发动机复杂的工作状态变化。

无人机及eVTOL冷却系统：随着低空经济的快速发展，无人机和电动垂直起降飞行器(eVTOL)对高效冷却系统的需求日益增长。湖南泰德航空开发的紧凑型电动离心泵具有重量轻、效率高和可靠性好的特点，特别适合此类应用。这些泵用于循环冷却液，确保电驱系统、功率电子设备及电池组在最佳温度范围内工作。

航空润滑系统：用于航空发动机及传动系统的润滑油循环，确保摩擦副的良好润滑和热量及时散发。此类泵具有高粘度介质输送能力和良好的自吸性能，能够在各种飞行姿态下稳定工作。

机载流体管理系统：用于飞机的液压系统、环境控制系统及废水管理系统，提供可靠的流体输送功能。这类泵通常具有低噪声、低振动和高集成度的特点，满足客舱舒适性和系统可靠性要求。

湖南泰德航空技术有限公司始终坚持创新驱动发展，通过不断完善研发体系和人才培养机制，致力于为航空航天及高端制造领域提供更先进、更可靠的流体控制解决方案。公司将持续深化与科研院所的合作，共同推进我国航空航天流体控制技术的高质量发展。

本研究通过数值模拟与试验验证相结合的方法，系统分析了某型高压燃油离心泵在全工况范围内的压力脉动特性及非定常流动结构，得出以下主要结论：

在设计工况下，高压燃油离心泵叶轮流道内压力脉动主频为转频，蜗壳流道内压力脉动主频为叶频，且不同监测点均呈现相似的脉动变化规律。叶轮出口与隔舌间隙区域的脉动幅值最大，是该型泵流动不稳定的主要区域。在小流量工况下，叶轮流道内出现了明显的大尺度漩涡流动，主要存在于靠近隔舌区域的叶轮流道出口位置。同时，叶轮出口及隔舌区域的湍动能分布范围较大且变化强烈，此处存在显著的水力损失。

针对这些流动特性，建议在高压燃油离心泵的设计中重点关注叶轮与蜗壳的匹配优化，特别是叶轮出口直径与蜗壳基圆直径的比值、叶轮出口宽度与蜗壳宽度的比值以及叶轮与隔舌的间隙尺寸等关键参数。通过优化这些参数，可有效改善泵内的非定常流动特性，降低压力脉动幅值，提升泵的工作效率和运行稳定性。

湖南泰德航空技术有限公司凭借在航空航天流体控制领域十余年的技术积累，开发的电动离心泵系列产品，通过先进的气动设计、创新的结构方案和智能控制系统，有效解决了传统离心泵在非定常工况下的性能衰减问题。这些产品已成功应用于航空发动机燃油系统、无人机及eVTOL冷却系统等多个重要领域，展现出良好的技术性能和市场前景。

随着航空技术持续向高效率、低噪声、高可靠性方向发展，未来高压燃油离心泵的研究将更加注重于非定常流动控制、智能材料应用及数字孪生技术等前沿方向。通过多学科交叉融合与产学研深度合作，进一步提升我国在航空航天流体控制领域的核心技术竞争力。

&注：文章内使用的及部分文字内容来源网络，部分图片来源于《西北工业大学学报 40卷》，仅供参考使用，如侵权可联系我们删除，如需了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与中国航发、中航工业、中国航天科工、中科院、国防科技大学、中国空气动力研究与发展中心等国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。