Page 32 - 《真空与低温》2025年第4期

任宏宇等：液氢增压泵低压端活塞迷宫密封瞬态泄漏数值研究 447

运动引起的剪切流作用更加明显，剪切流速的增大 ∂ ( − → ) ( − →−→ ) − → − → T − →
ρ u +∇ ρ u u = −∇p+∇[µ eff (∇ u +∇ u )]+ F
使边界层厚度变薄，影响了迷宫密封泄漏率。 ∂t
（2）
目前公开文献中对于活塞迷宫密封研究应用
（3）
集中在常温流体机械，以气体密封为主，缺乏对于 µ eff = µ+µ t
液氢增压泵迷宫密封液氢瞬态泄漏的研究。针对 （3）能量方程：
[ ( )]
以上问题，本文采用了一种新型液氢增压泵低压端 ∂ [ u 2 − → u 2 ∂p
ρ(h+ )]+∇ ρ u h+ − = ∇(k eff ∇T)
活塞结构，该新型结构将传统低压端活塞、低压端 ∂t 2 2 ∂t
（4）
入口阀和活塞迷宫密封集成在了新的活塞结构中。
在此基础上，结合动态网格技术建立了液氢增压泵 k eff = k +k t （5）
低压端活塞迷宫密封瞬态泄漏模型，并使用商用软 式中：u 为速度；t 为时间；p 为压力； ρ为密度； µ为
件 Ansys Fluent 进行相关仿真计算，探究了活塞往 动力黏度；F 为体积力；h 为焓；k 为导热系数。
复运动、迷宫密封长度和中间压力对密封效果的 针对往复式液氢输送泵活塞迷宫密封瞬态泄
影响。 漏仿真研究，采用的湍流模型是基于雷诺时均方程

1 理论模型建立 的 RNG k-ε 模型，其在形式上与标准 k-ε 方程类似。

与高雷诺数的标准模型不同，RNG 模型理论提供
1.1 数值模型建立
了一个解析推导出的有效黏度微分公式，它解释了
数 值 模 型 基 本 控 制 方 程 采 用 经典 Navier‒
低雷诺数效应，这意味着对于近壁面网格处理要求
Stokes 方程，矢量形式纯液体控制方程如下。
更为宽松。RNG 模型由于存在涡流修正项所以相
（1）连续性方程：
较于标准 k-ε 方程对于高速旋流预测性更好，非常
∂ρ ( − → )
+∇ ρ u = 0 （1） 适用于迷宫密封这种在空腔内形成涡流的情景。
∂t
（2）动量方程： RNG k-ε 模型具体方程如下：
∂ ( − → )
(ρk)+∇ ρk u = ∇(α k µ eff ∇k)+G k +G b −Y M −ρε （6）
∂t
∂ ( ) ε ε 2
− →
(ρε)+∇ ρε u = ∇(α ε µ eff ∇ε)+C 1ε (G k +C 3ε G b )−C 2ε ρ −R ε （7）
∂t k k
k 2
µ t = ρC μ （8） 塞设计结构示意图，原本的入口阀阀座与活塞被做
ε
( ) 成了一体式结构，这大幅增加了活塞的外壁面面积，
η
3
C μ ρη 1− 可以在其上加工出足够长度的迷宫密封。
η 0 ε 2
R ε = （9）
1+βη 3 k
S k
η ≡ （10）
ε 4
式中：G k 为由平均速度梯度产生的湍流动能项；G b
为由浮力产生的湍流动能项；Y M 为可压缩湍流中 3
波动膨胀对于总体扩散率的贡献；α k 和 α ε 分别为
湍动能和湍流扩散率的逆普朗特数；S 为平均应 5
变率张量的模量；其余为常量参数 C 1ε = 1.42、C 2ε = 2
1.68、C μ = 0.084 5、η 0 = 4.38、β = 0.012。 6 1

1.2 新型液氢增压泵低压端活塞结构
本文采用了一种新型液氢增压泵低压端活塞 7
结构，该结构集成了入口阀、迷宫密封以及低压端 8
活塞，解决了传统低压端活塞尺寸较小无法加工迷 1. 迷宫密封；2. 低压端活塞；3. 气缸；4. 低压端压缩腔；
宫密封的问题。此外该设计为低压端入口和出口 5. 入口阀阀板；6. 差动腔；7. 液氢液池；8. 高压端。
单独设计了流道，彼此之间互不干扰，减弱了低压 图 1 一种新型低压端活塞结构
端压缩腔出口处的扰流。图 1 为该新型低压端活 Fig. 1 A new low-pressure side piston structure