双支承新型旋涡泵动态流场力学行为及其光学测试系统研究

High performance double-support vortex pump with the pure water as a medium is the key component of the helicopters’ cooling system. Lack of domestic theory and experimental study on such vortex pump leads to its long-term dependence on imports, for which the new double-support vortex pump with fan-shaped groove on impeller end is developed in this project. Firstly, Universal turbulence model with the vortex pump fluid dynamics analysis is established. A method of combining the theoretical analysis, CFD numerical simulation with experimental study is applied to analyse such characteristics as velocity field, pressure and speed of the three-dimensional dynamic flow field inside the vortex pump, revealing the vertical radial vortex generation of vortex pump and momentum conversion and dissipation mechanism. The mapping between the vortex pump’s such design parameters as blades, runner truncate, backlash, impeller groove angle and such performance indicators as head, efficiency is determined with the method of artificial neural networks. Optimization design platform with multiple parameters and objectives of double-support vortex pump based on artificial intelligence is explored. Optical testing system composed of high-speed digital camera is developed, providing a new method for getting an accurate distribution of vortex pump’s transient flow field pressure and velocity and laying solid foundation for the localization of high performance vortex pump with intellectual property.

以纯水作为介质的高性能双支承旋涡泵是直升机冷却系统的关键部件，目前国内对此类旋涡泵的理论与试验研究不足，致使其长期依赖进口，为此本项目拟研制叶轮端面开有扇形槽的一种双支承新型旋涡泵。首先建立旋涡泵流体动力学分析的普适湍流模型；采用理论分析、CFD数值模拟与试验研究相结合的方法分析旋涡泵内部三维动态流场速度场、压力、转速等特性，揭示旋涡泵纵径向旋涡产生和动量转换与耗散机理；用人工神经网络方法确定旋涡泵叶片数、流道截形、侧隙、叶轮槽型角等设计参数与扬程、效率的性能指标之间的映射关系，开发基于人工智能的双支承旋涡泵多参数多目标优化设计平台；研制出由高速数字摄像机等组成的光学测试系统，为准确获取旋涡泵瞬态流场压力和速度分布提供新方法，为具有知识产权高性能旋涡泵国产化奠定坚实基础。

以纯水作为介质的高性能双支承旋涡泵是直升机冷却系统的关键部件，目前国内对此类旋涡泵的理论与试验研究不足，致使其长期依赖进口，为此本项目以直升机10XW-20型的双支承旋涡泵为研究背景，针对国内旋涡泵普遍采用单支承安装的局限性，开展相关理论与试验研究，研制叶轮端面开有扇形槽的一种双支承新型旋涡泵。首先,基于CFX流体动力学分析平台，搭建了旋涡泵三维流场动力学分析有限元模型，建立了旋涡泵流体动力学分析的普适湍流模型；采用理论分析、CFD数值模拟与试验研究相结合的方法分析旋涡泵内部三维动态流场速度场、压力、转速等特性，揭示了旋涡泵纵径向旋涡产生和动量转换与耗散机理；用人工神经网络方法确定旋涡泵叶片数、流道截形、侧隙、叶轮槽型角等设计参数与扬程、效率的性能指标之间的映射关系，开发了基于人工智能的双支承旋涡泵多参数多目标优化设计平台；针对传统接触式单点流场测试技术的局限性，本项目开发了旋涡泵的PIV光学流场测试系统，研制了已通过CNAS实验室能力认可的用于旋涡泵性能测试的试验台,深入研究了旋涡泵瞬态流场试验方法，探索了旋涡泵内部流场分布规律，为准确获取了旋涡泵瞬态流场压力和速度分布提供新方法，经反复试验论证，课题组已加工有机玻璃旋涡泵模型,已研制出具有知识产权的符合直升机用的10XW-20型双支承旋涡泵样机，项目组成员申请了10项发明专利、发表了21篇学术论文、培养了1名硕士研究生和2名博士研究生。通过本项目的实施,为高性能旋涡泵的国产化奠定了坚实的基础,也为后续开发高性能电机泵提供了一定基础,具有显著的战略意义。