道格拉斯L.桑达克-波士顿大学
丹尼尔J.多尼-美国宇航局马歇尔太空飞行中心
介绍
用于推进应用的涡轮发动机在许多不同的工作流体和流动条件下工作。流动可以是不可压缩的，比如在火箭发动机的液氢泵中，也可以是超音速气体，比如在驱动氢泵的涡轮中。非定常可压缩流体流动用双曲-抛物型混合偏微分方程来描述，非定常不可压缩流体流动用椭圆-抛物型混合偏微分方程来描述。由于方程的性质不同，传统上不可压缩流动和可压缩流动的求解采用不同数值方法的单独代码。
通用方程集（GES）方法[1]既可用于求解不可压缩流动，也可用于求解可压缩流动，而且它不像许多流动求解器那样局限于理想气体。由于GES方法是基于预处理方法开发的，因此可以使用预处理来加速求解，使用双时间步长来保持时间精度。通过选择适当的预处理参数，该方法可简化为求解非定常、不可压缩流动的拟压缩性方法。
利用GES方法编写了一个非定常涡轮机械流动求解程序[2]。该代码可以处理各种液态和气态流体，包括水、氢、氧、氮、RP1（煤油）和完美气体。
代码是基于Corsair，一个完善的完美气体涡轮机械流求解器。Corsair已经开发了17年，被超过25个工业、学术和政府组织使用。它被授予2005年NASA马歇尔太空飞行中心“年度软件”奖。
结果
该代码已应用于各种涡轮机械配置。本文给出了四种不同工作流体的火箭发动机涡轮机械部件的实例：1)涡轮泵诱导器，2)二维涡轮，3)三维涡轮，4)带叶片扩散器的离心叶轮试验台。所有这些都是非定常模拟，结果显示在任意时间快照。
诱导物
涡轮泵用于向液体燃料火箭发动机提供燃料和氧化剂。如果泵的入口压力过低，就会发生汽蚀，这是一种蒸汽气泡形成的条件，降低泵的性能。为了增加泵的进口压力，经常使用“诱导器”，这可以被认为是一个“增压泵”。
对液氢诱导器内的流场进行了模拟澳门威尼斯人注册网站研究。4叶片的几何形状是典型的那些发现在燃料和氧化剂涡轮泵用于火箭发动机的应用。图1显示了诱导叶片表面压力的颜色。压力由整个流场的最小值和最大值归一化。
二维涡轮
火箭发动机中的涡轮泵通常由涡轮机驱动。利用GES程序模拟了用于驱动低压燃料或氧化剂涡轮泵的典型二维涡轮几何结构的非定常流场。在这种情况下，工作流体是液氧。该区域由两个叶片和三个转子叶片组成。通过通道的无因次压力图如图2所示。
三维涡轮
为了证明该代码对可压缩流动的运行能力，以气态氢为工作流体进行了三维非定常流场模拟。再一次，这种涡轮的几何形状是典型的那些用于驱动低压燃料或氧化剂涡轮泵。该区域由单个叶片和单个转子叶片组成。无量纲表面压力轮廓如图3所示。
离心叶轮、扩压器
最后一个例子是带叶片扩散器的离心叶轮。叶轮包含12个主叶片和12个分流叶片，扩压器包含13个叶片。该几何模型基于以水为工作流体的实验试验台，因此模拟也采用了水。由此产生的瞬时无量纲表面压力轮廓如图4所示。
参考文献
[10] Venkateswaran， S.和Merkle， C. L.，“Euler和Navier-Stokes方程的预处理方法分析”，Von Karman Institute系列讲座，1999年3月8-12日。
bbb10 Sondak， D. L, Dorney， D. J，“可压缩和不可压缩涡轮机械流动的一般方程集方法”，第39届AIAA/ASME/SAE/ASEE联合推进会议暨展览，2003年7月20-23日。