1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-07-13作者简介：邢树兵(1989)，男，河北省人，工程师，主要研究方向为水激活电池优化及设计。通信作者：高新龙铝银电池电液循环泵气液两相流动特性仿真邢树兵，高新龙，闻杰，李学海，韩超(中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384)摘要：为进一步了解气液两相工况下的铝氧化银电池电液循环泵内部流动特性，选取比转数ns=63.7的某型铝氧化银电池电液循环泵作为研究对象，结合CFD数值模拟技术，基于CFX软件中的Eulerian-Eulerian非匀相流模型，对泵内部流动特性进行仿真计算，得到不同进口含气率工况下的中截
2、面压力、气相体积分数分布及流线分布。结果表明：随着进口含气率增加，电液循环泵内流体分布不均匀度增加，叶轮对流体做功能力下降；循环泵内气相分布主要集中在叶片工作面进口区域，随着进口含气率变大，部分流道会被气体严重堵塞，导致泵的流量、扬程产生剧烈波动；随着进口含气率增加，旋涡、回流影响范围逐渐扩大，在旋涡、回流及气液两相滑移的相互作用下，流道内流线分布十分紊乱，产生较大的能量损失，造成扬程及效率下降。关键词：铝氧化银电池；电液循环泵；气液两相；流动特性中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0366-04DOI:10.3969/j.issn.1002-
3、087X.2023.03.021Flow characteristics numerical simulation of aluminum silver oxidebattery electro-hydraulic circulation pump under gas-liquidtwo-phase flowXING Shubing,GAO Xinlong,WEN Jie,LI Xuehai,HAN Chao(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)Abstract:In order to learn more about
4、 the flow characteristics of the aluminum silver oxide battery electro-hydraulic circulation pump under gas-liquid two-phase conditions,an electro-hydraulic circulation pump witha specific speed of 63.7 was selected.Combined with CFD numerical simulation technology,the flowcharacteristics of the alu
5、minum silver oxide battery electro-hydraulic circulation pump were simulated byapplying the Eulerian-Eulerian inhomogeneous multiphase flow model of the CFX software.The pressuredistribution,gas volume fraction distribution and streamline distribution in the mid-section under differentIGVF(inlet gas
6、 volume fraction)conditions were obtained.The results show that with the increasing of IGVF,the flow inhomogeneity between the gas phase and the liquid phase is exacerbated,and the impellers workingability to the fluid decreases.The gas phase in the electro-hydraulic circulation pump is mainly accum
7、ulatedon the blade working surface near the inlet.With the increasing of IGVF,part of the flow channel will beseriously blocked by gas,leading to violent fluctuation in the flow and head of the electro-hydraulic circulationpump.The influence range of the vortex and backflow gradually expands with th
8、e increasing of IGVF.Underthe interaction of vortex,backflow and gas-liquid two-phase slip,the streamline distribution in the flowchannel of the pump is very disordered.The head and efficiency decrease,resulting in a large energy loss.Key words:aluminum silver oxide battery;electro-hydraulic circula
9、tion pump;gas-liquid two-phase flow;flow characteristics铝氧化银电池具有贮存寿命长、比能量高、比功率高的优点，已被应用于鱼雷一次动力电池，目前国际上最先进的电动力鱼雷MU90、F21和Black shark，均配装了铝氧化银电池作为动力源1。图1为某型鱼雷用铝氧化银电池结构示意图2。从图1可以看出，铝氧化银电池除电池本体外，还需要气体分离器、电机、循环泵等辅助系统。气体分离器主要作用图1铝氧化银电池结构图3662023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计是将电池工作过程中产生的大量氢气，经气液分离后排出舱外，另有少量未分离的气体随电
10、解液进入电液循环泵内。电液循环泵在工作时处于复杂的气液两相流工况下，其作为铝氧化银电池系统的唯一动力来源，是电池系统的“心脏”，主要作用有：在激活初期，将外部海水快速注入系统舱内，溶解固态电解质，并在系统舱内建立稳定的电液循环；在放电过程中，驱动系统中的电解液循环，带走电池本体产生的氢气、铝酸盐、热量等副产物；在整个运行过程中，为系统内的转换阀提供稳定的驱动力。电液循环泵在工作时，极易受进口含气率变化的影响，可能引起流量、扬程剧烈变化，导致电池本体副产物积聚、电解液泄漏等问题。鉴于电液循环泵对铝氧化银电池性能有较大影响，甚至直接关系到鱼雷发射的成败，因此对电液循环泵气液两相流动特性研究十分必要
11、，对提高泵运行的稳定性具有重要的实际意义和学术价值。目前，国内外学者对泵内的气液两相流进行了大量研究。李贵东等3、刘瑞华等4采用 CFX 软件对离心泵内部流场进行三维瞬态数值模拟，得到了气液两相条件下离心泵内部流态、叶片载荷及内部压力脉动的变化规律。袁寿其等5基于MUSIG模型，充分考虑气相粒子之间的聚合及破碎作用对流动特性的影响，得到离心泵在不同含气率工况下的内部流动特性。William Monte Verde等6采用高速成像技术，揭示了离心泵叶轮内四种气液流动模式。本文对某型铝氧化银电池电液循环泵气液两相流动特性进行研究。1 计算模型及网格划分1.1 模型泵参数选取某型铝氧化银电池电液循环
12、泵作为研究对象，比转数ns=63.7，电液循环泵的主要性能参数：额定流量Qn=7 m3/h、额定扬程Hn=37.5 m、额定转速n=6 000 r/min。电液循环泵的过流部件主要几何参数为：叶轮进口直径为28 mm，叶轮直径为84 mm，叶轮出口宽度为4 mm，叶片数为6。1.2 计算域及网格划分采用Pro/E软件对叶轮、蜗壳进行三维建模，模型泵三维水体如图2(a)所示，水体部分包含进口段、叶轮、蜗壳、出口段四部分。采用 ANSYS ICEM 软件对模型泵进行非结构化网格划分，并对叶轮进出口边、蜗壳隔舌等部位网格进行了加密处理。为了确定适合计算的网格数，对模型泵进行了网格无关性分析7，发现当
13、叶轮网格数达到40万、蜗壳网格数达到50万以后，模拟得到的泵扬程、效率相差小于0.5%，综合考虑计算资源与仿真的精度，最终确定模型泵计算域网格总数约为110万个，计算域网格装配图如图2(b)所示。2 数值计算方法及边界条件采用 CFD 软件 ANSYS CFX 进行定常模拟计算，模拟时采用直径远小于流道尺寸的球形气泡，为了更加接近真实流动，充分考虑气液两相间的能量传递及速度滑移作用，本文数值模拟选用 Eulerian-Eulerian非匀相流模型8，液相采用标准k-湍流模型、气相采用湍流零方程模型，设定液相为连续相、气相为不可压缩离散相，忽略相间的传质传热9。在 CFX 中设置壁面粗糙度为 1
14、2.5 m，固壁面采用对水作用无滑移、对空泡自由滑移的边界条件，越靠近壁面表面部分，其速度越小，近壁区的壁面函数采用 scalable。叶轮流道区域设置为旋转坐标系，转速为 6 000 r/min，叶轮-蜗壳与叶轮-进口段接触面采用交界面连接。设置压力进口与速度出口边界条件，在进口设置气液两相体积分数来控制进口含气率(本文中的进口含气率均指气相占混合相的体积分数)，本文主要分析了进口含气率为0%、2.5%、5%、7.5%和 10%的额定流量工况下的电液循环泵流动特性。3 计算结果与分析3.1 压力分布云图分析图3为不同进口含气率工况下电液循环泵中截面压力分布图，图中 IGVF为进口含气率。由图
15、可以看出：循环泵的低压区均位于叶轮进口处，随着叶轮旋转对流体做功，叶轮流道内压力随着叶轮半径增大而增大；流体进入蜗壳流道后，在出口扩散段作用下，由于流速逐渐降低，部分动能转换为静压能，使出口处压力逐渐增加；通过对比可知，随着进口含气率增大，在叶轮进口位置产生局部低压区，叶轮及蜗壳流道内的压力值也逐渐降低，这主要是由于，随着进口含气率增大，叶轮流道内流体分布不均匀度增加，叶片对流体做功能力下降，从而导致泵内出现局部低压区；同时，气体-液体两相间的滑移作用，会诱发回流、旋涡等现象，产生较大的能量损失，造成泵内压力值随进口含气率增加而降低。图2三维建模及网格划分图3不同进口含气率(IGVF)工况下电
16、液循环泵中截面压力分布3672023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计3.2 气相体积分布分析图4为不同进口含气率工况下电液循环泵中截面含气率分布图。由图中可以看出，在进口含气率为 2.5%工况时，各个叶轮流道内气体均主要积聚在叶片工作面进口区域，随着流体向叶轮流道中间位置扩散，蜗壳流道内气体分布较均匀，仅在隔舌位置出现小范围的气体积聚，这是由于在隔舌位置易产生旋涡、回流等，致使气体积聚在此处；在进口含气率为5%工况时，流道内的气体积聚范围进一步扩大；当进口含气率达到 7.5%时，叶轮流道内两相分布更加不均匀，可以看到在蜗壳第 3断面至第 5断面区间对应的叶轮流道内，出现了大范围的气体积聚，甚至堵塞了大部分流道；在进口含气率为10%工况下，泵内气体分布与进口含气率为7.5%工况下的分布规律基本一致，气相分布的影响范围有所扩大。图4不同进口含气率(IGVF)工况下电液循环泵中截面含气率分布图由此可知，当进口含气率较大时，泵内流体分布不均，会诱发电液循环泵的流量、扬程剧烈波动，造成扬程及效率急剧下降。流量剧烈波动会直接导致气体分离器气腔失稳、分离效率下降等问题，气体分离器运行失稳又
