借助Cadence Fidelity CFD工具改变Vinci涡轮泵研发

本文翻译转载于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

太空探索一直是一个由精准与创新驱动的前沿领域。在太空发射器的关键组件中，涡轮泵是其中之一，它确保了推进剂能无缝且高效地流向火箭发动机，从而产生挣脱地球引力所需的巨大推力。然而，设计涡轮泵面临着特殊的挑战。从减轻空化到应对危险的转速和压力上升，这些组件必须经过完美的工程设计，才能在极端的条件下运行。

当前，CFD 工具正在显著推动涡轮机械设计和验证流程的发展。本文章探讨了先进 CFD 技术（如 Fidelity CFD）的作用，Ariane 集团将其用于 Ariane 6 型太空发射器中的 Vinci 氢气涡轮泵，助力突破涡轮机械设计和性能的突破。

Ariane 计划与 Ariane 6 的多用途性

20 世纪 70 年代启动的 Ariane 计划，通过实现独立进入太空的能力，彻底改变了欧洲的太空探索格局。该计划由 Ariane 集团管理，在过去的五十多年里已成功发射了数千颗卫星并执行了众多任务。Ariane 6 旨在继承这一传统，通过提升效率和成本效益来延续优势，其具备任务灵活性、降低的生产成本以及先进的技术等特点，以此在全球市场中保持着竞争力。

Ariane 6 的一个突出亮点是 Vinci 发动机，这是一款创新低温发动机，由欧洲航天局项目下的欧洲合作伙伴协作研发。这款创新发动机以液氢和液氧为燃料，可在 130 千牛和 180 千牛两种推力状态下工作，并且具备可重复点火的能力，这使其适用于多次轨道插入的复杂任务。

此外，Vinci 氢气涡轮泵是尖端工程的典范，其转速约为 90,000 转/分钟，能实现最高 60bar 的压力上升，同时产生约 3,600 千瓦的功率。该涡轮泵的设计包括一个用于高效处理低压流体的诱导轮、两个用于推进剂压缩的离心级，以及一个用于发电的亚音速轴流式涡轮。该涡轮泵的研发采用了大量测试和先进的 CFD 模型，大幅减少了昂贵物理测试的需求。

借助 Fidelity CFD 的 Ariane 涡轮泵设计演进

Ariane 集团与 NUMECA（现属 Cadence）建立了长达数十年的合作关系，通过 CFD 优化涡轮机械设计的各个阶段。这一合作实现了具有成本效益的设计迭代，并确保模型满足火箭推进系统的严苛要求。

下面介绍了 Fidelity CFD 工具如何在三个不同阶段改变 Vinci 涡轮泵的研发：

阶段 1：

Vinci 涡轮泵研发

借助 Fidelity CFD 工具对 Vinci TPH 液压组件的稳态性能进行评估，省去了初步水工质或模化试验的环节。不过在 2000 年，评估净正吸入压力（NPSP，用于检验在低入口压力下的运行能力）的尝试并不成功。于是，团队开展了水动力测试来分析 NPSP 和空化动力学。Vinci TPH 诱导轮的流场最初是通过 Fine Turbo 求解器（即如今的 Fidelity Flow 涡轮机械模板）进行评估的。

阶段 2：

空化建模

在接下来的几年里，Fidelity CFD 工具新增了一些功能，用于优化对净正吸入压力（NPSP）和空化动力学的评估。这些新功能能够分析稳态和非稳态性能，还能考虑热效应，这在 Vinci 涡轮泵研发的早期阶段是无法实现的。在第二阶段，Fidelity CFD 被用于评估水中的净正吸入压力（NPSP）。

后续的涡轮泵研发，例如 2007 年至 2010 年的 TPX（新一代 Vulicain 涡轮泵）以及 2022 年的普罗米修斯（以液氧/甲烷为燃料），都受益于这些技术进步，不再需要进行诱导轮水试。这些研究成果减少了物理空化测试的必要性，同时提高了设计精度。凭借 Fidelity CFD 工具的这些先进功能，它被广泛应用于各种流型分析，包括空化流以及涡轮中的超声速/亚声速流，能有效捕捉非稳态流动行为。

阶段 3：

设计演进

尽管在 21 世纪初 Vinci 的研发早期，部分设计就已通过了验证，但某些组件仍需重新设计——要么是为了提升性能，要么是因制造工艺取得了进步。

Fidelity CFD 工具助力组件的早期验证和重新设计，既避免了高昂的失误成本，又加快了研发的进度。例如，它能基于非稳态载荷，将设计改进顺畅地整合到 Vinci 发动机中，无需进行大量预认证工作，最终使得 Vinci 涡轮泵在飞行模型 1 阶段的表现达到了预期。

CFD 在涡轮机械中的优势

CFD 为涡轮机械设计，尤其是太空探索领域的涡轮机械设计，带来了无可比拟的优势：

降低成本：替代或减少物理测试，减少研发迭代次数。

提高可靠性：CFD 确保了“一次就对”的性能表现，降低测试或任务期间的故障风险。

加快鉴定流程：数值模拟或物理测试相辅相成，加快组件和系统的鉴定阶段进程。

为可持续太空探索铺路

Cadence 与 Ariane 集团等航天领军企业的合作，展现了可持续性太空探索的潜力。CFD 建模提高了推进系统的效率，减少了对冗长测试的依赖。并且，它加速了下一代设计（如普罗米修斯涡轮泵）的研发进程。

太空任务的要求必然会变得更加复杂。Ariane 集团融合计算精度与物理测试的混合工程文化，为可持续且高效的创新提供了蓝图。

结语

Ariane 6 型太空发射器由 Vinci 发动机提供动力，并通过先进的 CFD 技术进行优化，它代表了航天领域工程协作、创新和可持续性发展的巅峰。其设计不仅具备任务的灵活性，还让我们有信心直面太空探索的挑战。

对于航天工程师、CFD 分析师和太空爱好者而言，Ariane 集团与 Cadence 的合作，彰显了技术与专业知识如何结合，从而塑造人类在星际间的未来。