劉承江，王永生，張志宏，劉巨斌

（1海軍工程大學(xué)a.船舶與動力學(xué)院；b.理學(xué)院，武漢430033）

1 引 言

目前，采用CFD方法對噴水推進(jìn)器進(jìn)行水動力性能預(yù)報的研究已較為成熟。這些研究對深入分析噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動情況、改進(jìn)設(shè)計(jì)、彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的不足，起到非常重要的作用[1-5]。甚至有些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將這種數(shù)值計(jì)算研究置于與試驗(yàn)研究同等重要的地位[6-7]。為準(zhǔn)確預(yù)報和計(jì)算噴水推進(jìn)器水動力性能，建立正確的數(shù)值模型是非常重要的。其中，流場計(jì)算區(qū)域（即流場控制體）因影響到噴水推進(jìn)器的進(jìn)流條件，所以其選取將會直接影響預(yù)報的精度。對此，本文對設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下噴水推進(jìn)器水動力性能預(yù)報所需流場控制體進(jìn)行了研究。在驗(yàn)證計(jì)算方法和數(shù)值模型可信的基礎(chǔ)上，通過對比不同流場控制體的計(jì)算結(jié)果，分析了流場控制體對噴水推進(jìn)器性能預(yù)報的影響，最后確定了所需流場控制體的大小。

2 數(shù)值計(jì)算模型

噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖1所示?？紤]到來流受航速、壓力及進(jìn)水口對船底邊界層等因素的影響，在進(jìn)水流道下方設(shè)置一個較大區(qū)域模擬船底水流場，共同組成噴水推進(jìn)器數(shù)值計(jì)算區(qū)域 （即流場控制體，圖2）。整個流場計(jì)算區(qū)域分成兩個部分：進(jìn)水流道與船底水作為一個區(qū)域，噴水推進(jìn)器泵本體（包括葉輪和導(dǎo)葉體）和噴口作為一個區(qū)域。噴水推進(jìn)器各部件均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對進(jìn)水流道壁面和船底附近網(wǎng)格作加密處理以得到滿足y+要求的網(wǎng)格，葉片附近也用O型網(wǎng)格進(jìn)行加密，以使網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求（如圖3）。

船底流場控制體兩側(cè)及來流面設(shè)為速度進(jìn)口，通過速度剖面來模擬流動受邊界層的影響。利用平板二維粘性邊界層速度分布模擬船底邊界層的速度分布，采用Prandtl方法和Wieghardt建議的近似修正[8]，可得到船底邊界層厚度和速度分布：

其中：Re—雷諾數(shù)，Vs—航速，x—進(jìn)口前船體水線長度，ν—水的運(yùn)動粘性系數(shù)，δ—邊界層厚度，y—離船底的距離，u—y處的流速。

數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件設(shè)置等與文獻(xiàn)[9]相同。

3 數(shù)值計(jì)算與分析

在參考國內(nèi)外有關(guān)噴水推進(jìn)器CFD性能研究的基礎(chǔ)上[1-3，6]，首先選用一個較大的控制體對系統(tǒng)流場進(jìn)行模擬，并用該模型對設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況的噴水推進(jìn)器推力、功率等特性進(jìn)行預(yù)報。預(yù)報結(jié)果與廠商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其中設(shè)計(jì)工況的推力、功率誤差分別為0.881%和0.078%，非設(shè)計(jì)工況的推力和功率最大誤差為4.63%。所以，作者認(rèn)為該數(shù)值模型和相應(yīng)的計(jì)算方法可信。

3.1 設(shè)計(jì)工況流場控制體的選取

最初選取的基準(zhǔn)控制體的尺寸是：進(jìn)水口前長度為40倍葉輪進(jìn)口直徑 （即40D，D為葉輪進(jìn)口直徑），船尾板后為8倍葉輪進(jìn)口直徑，船底寬6倍葉輪進(jìn)口直徑（中剖面一側(cè)，總寬度為12倍葉輪進(jìn)口直徑），船底水深10倍葉輪進(jìn)口直徑。不同控制體模型的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格尺度是相同的。

在最初控制體的基礎(chǔ)上，分別從長、寬、深三個方向改變其大小，計(jì)算對比噴水推進(jìn)器內(nèi)部微觀流動情況和宏觀外特性參數(shù)。各模型計(jì)算的流量、功率、推力等外特性指標(biāo)與初選控制體計(jì)算結(jié)果偏差均在0.3%以內(nèi)，相差很小。圖4是各模型中剖面速度分布，顏色越深表示速度越小。

通過對比分析，最終確定設(shè)計(jì)工況時流場控制體的長、寬和深度分別為噴水推進(jìn)器葉輪進(jìn)口標(biāo)稱直徑的30倍、10倍和8倍。具體分析參考文獻(xiàn)[9]。

3.2 非設(shè)計(jì)工況流場控制體的選取

選擇0.75倍和0.50倍設(shè)計(jì)航速對應(yīng)的兩個工況進(jìn)行分析。圖5-1、5-2分別是設(shè)計(jì)工況與非設(shè)計(jì)工況（0.5倍設(shè)計(jì)航速）進(jìn)水流道附近流線分布情況?？梢?，非設(shè)計(jì)工況所需流場控制體應(yīng)該比設(shè)計(jì)工況時更大。所以，在4.1節(jié)選取的流場控制體的基礎(chǔ)上，逐步加大流場控制體大小，通過對比計(jì)算結(jié)果確認(rèn)非設(shè)計(jì)工況時所需流場控制體的大小。

表1～6分別是各非設(shè)計(jì)工況流量、功率、推力等性能參數(shù)隨控制體長度、寬度、深度的變化規(guī)律。將4.1節(jié)設(shè)計(jì)工況下流場控制體的數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)，不同維度的性能參數(shù)變化與各自基準(zhǔn)進(jìn)行對比。

表1 0.75倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體長度變化Tab.1 Parameters changed with length of FCV at 75% design speed

表2 0.5倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體長度變化Tab.2 Parameters changed with length of FCV at 50% design speed

表3 0.75倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體寬度變化Tab.3 Parameters changed with width of FCV at 75% design speed

表4 0.5倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體寬度變化Tab.4 Parameters changed with width of FCV at 50% design speed

表5 0.75倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體深度變化Tab.5 Parameters changed with depth of FCV at 75% design speed

表6 0.5倍設(shè)計(jì)航速工況性能參數(shù)隨控制體深度變化Tab.6 Parameters changed with depth of FCV at 50% design speed

由表1～2可見，各工況流量、功率、推力隨控制體長度的變化不足1%。由表3～4可知，控制體寬度對計(jì)算結(jié)果的影響也很小。由表5～6可知，流量、功率隨控制體深度變化不大，而推力受控制體深度影響較大，且隨著深度增大，推力變化增大，超過1%；但隨著深度的進(jìn)一步增加，推力增大有減緩的趨勢；航速越低，控制體深度對推力的影響越大。所以，為避免流場控制體對性能預(yù)報帶來的誤差，可在設(shè)計(jì)工況流場控制體的基礎(chǔ)上增加控制體深度；又考慮到計(jì)算量問題，作者最終確定非設(shè)計(jì)工況下控制體深度為10倍進(jìn)口直徑。由于控制體長度和寬度對性能預(yù)報結(jié)果影響不大，且考慮到計(jì)算量問題，所以在非設(shè)計(jì)工況預(yù)報時可采用與設(shè)計(jì)工況相同的控制體長度和寬度。

5 結(jié) 論

針對噴水推進(jìn)器CFD性能分析中流場控制體選取問題展開討論，分別從深度、寬度和長度三個維度對控制體進(jìn)行了調(diào)整。通過數(shù)值計(jì)算和分析，研究了不同流場控制體對噴水推進(jìn)器性能（包括外特性宏觀參數(shù)和內(nèi)流場微觀參數(shù)）預(yù)報結(jié)果的影響，為噴水推進(jìn)器CFD性能分析所需流場控制體的選取提出了建議。

（1）本研究首先對設(shè)計(jì)工況流場控制體的選取進(jìn)行了計(jì)算和分析。由于外特性預(yù)報結(jié)果變化不大，僅在0.3%以內(nèi)，而內(nèi)流場流動變化較明顯，所以控制體的選取以內(nèi)流場流動參數(shù)分布合理為標(biāo)準(zhǔn)，這也是CFD方法特點(diǎn)的一個體現(xiàn)。最終確定設(shè)計(jì)工況時流場控制體的長、寬和深度分別為噴水推進(jìn)器葉輪進(jìn)口標(biāo)稱直徑的30倍、10倍和8倍。

（2）對于非設(shè)計(jì)工況時控制體的選取，在設(shè)計(jì)工況流場控制體的基礎(chǔ)上，分別改變其長、寬和深度，通過計(jì)算分析，根據(jù)流量、功率和推力的變化情況，最終確定該控制體長、寬和深度分別為噴水推進(jìn)器葉輪進(jìn)口標(biāo)稱直徑的30倍、10倍和10倍。

（3）非設(shè)計(jì)工況流場控制體的大小對噴水推進(jìn)器性能預(yù)報的影響比設(shè)計(jì)工況大，而且非設(shè)計(jì)工況下所需流場控制體要大于設(shè)計(jì)工況時的情況。

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