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(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

泵槳聯(lián)合推進(jìn)集合了噴水推進(jìn)和螺旋槳推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，既有低速時(shí)用螺旋槳推進(jìn)，噴水推進(jìn)只用于高速及緊急機(jī)動(dòng)過程這樣的設(shè)計(jì)，也有低速時(shí)采用噴水推進(jìn)以提高艦艇低速時(shí)的機(jī)動(dòng)性，正常航行仍采用螺旋槳推進(jìn)的設(shè)計(jì)[1-5]。南非海軍MEKO A-200型輕型護(hù)衛(wèi)艦是目前少數(shù)使用泵槳聯(lián)合推進(jìn)的艦船之一，而國內(nèi)尚無螺旋槳與噴水推進(jìn)器混合使用作為推進(jìn)方式的船舶。本文基于南非海軍MEKOA-200型輕型護(hù)衛(wèi)艦來研究泵槳聯(lián)合推進(jìn)的推進(jìn)性能。其噴水推進(jìn)器與螺旋槳分布見圖1。

圖1 MEKO A-200 推進(jìn)系統(tǒng)布置

所選模型噴水推進(jìn)器與螺旋槳的功率比和直徑比與MEKOA-200相同，主要參數(shù)尺度見表1，螺旋槳選用可調(diào)螺距槳但計(jì)算時(shí)按照定螺距槳計(jì)算。

1 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)目前在國內(nèi)尚無應(yīng)用，也沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。但噴水推進(jìn)器及螺旋槳技術(shù)較為成熟，且有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可分別對噴水推進(jìn)器及螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較來確保計(jì)算精度，保證泵槳聯(lián)合推進(jìn)數(shù)值模擬的可行性。

對噴水推進(jìn)器流場計(jì)算進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)分進(jìn)流段、動(dòng)葉輪、導(dǎo)葉輪及出流段4個(gè)區(qū)域。由于噴水推進(jìn)器的動(dòng)葉輪及導(dǎo)葉輪的葉片形狀不規(guī)則，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用三角形網(wǎng)格面網(wǎng)格單元和四面體/六面體混合型體網(wǎng)格單元。葉輪及泵體之間生成了8層網(wǎng)格。對葉梢及導(dǎo)葉等區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。

1.1 Fluent相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1)控制方程選取。由于本文計(jì)算內(nèi)容為不可壓縮流體流動(dòng)問題，不考慮熱交換，故在控制方程的選取中舍去能量方程，選取連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

2)湍流模型選取。目前，尚無普遍適用于各種工程問題的湍流模型，考慮湍流模型的應(yīng)用范圍，本文選用SST的k-ω二方程湍流模型。

3)差分格式選取。速度壓力耦合方式采用SIMPLEC算法求解，使用默認(rèn)的亞松弛因子。對于差分格式選取，各控制方程的離散格式均采用二階迎風(fēng)差分格式。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

從小流量到大流量計(jì)算多個(gè)工況點(diǎn)，得到流量與揚(yáng)程、功率及效率的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值，見圖2～4。

圖3 流量與功率數(shù)值模擬結(jié)果曲線和實(shí)驗(yàn)值曲線

圖4 流量與效率數(shù)值模擬結(jié)果曲線和實(shí)驗(yàn)值曲線

由圖2～4可見,利用CFD方法計(jì)算得到的噴水推進(jìn)器軸流泵各項(xiàng)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值比較接近。產(chǎn)生誤差的主要原因是在動(dòng)葉輪與導(dǎo)葉輪內(nèi)有明顯的脫流現(xiàn)象存在，以后深入處理這個(gè)問題，現(xiàn)在主要考慮離體。三項(xiàng)數(shù)據(jù)中最大誤差為10%，同時(shí)根據(jù)螺旋槳數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值比較，可知數(shù)據(jù)最大誤差為8.2%。認(rèn)為用這種方法來模擬噴水推進(jìn)器和螺旋槳作用于船體是可行的，可以用于初步的泵槳聯(lián)合推進(jìn)數(shù)值模擬。

2 泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)建模

利用CFD軟件對流場進(jìn)行數(shù)值模擬，創(chuàng)建三維模型非常關(guān)鍵，直接影響到模型計(jì)算的精確程度。

1)生成螺旋槳槳葉三維模型。繪制螺旋槳槳葉的二維平面圖，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成dat文件并導(dǎo)入Gambit里建立螺旋槳的三維模型。螺旋槳實(shí)體模型見圖5。

圖5 螺旋槳實(shí)體模型

2)建立噴水推進(jìn)器模型。以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，利用同樣的方法建立噴水推進(jìn)器動(dòng)葉輪與導(dǎo)葉輪的三維模型，并對進(jìn)水段及出水段建立模型。噴水推進(jìn)器實(shí)體模型見圖6。

圖6 動(dòng)葉輪實(shí)體模型

3)建立船尾模型與外域。本文主要考慮噴水推進(jìn)器與螺旋槳之間的相互作用，適當(dāng)?shù)睾喕瘒娝七M(jìn)器、螺旋槳與船體之間的相互作用，船體艉部模型采用規(guī)則的幾何模型。

4)對噴水推進(jìn)器流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)分為進(jìn)流段、動(dòng)葉輪、導(dǎo)葉輪及出流段四個(gè)區(qū)域。由于噴水推進(jìn)器的動(dòng)葉輪及導(dǎo)葉輪的葉片形狀不規(guī)則，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用三角形網(wǎng)格面網(wǎng)格單元和四面體/六面體混合型體網(wǎng)格單元。葉輪及泵體之間生成了8層網(wǎng)格。并對葉梢及葉根區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。由于螺旋槳表面形狀復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在螺旋槳周圍建立小圓柱形流體域，周圍建立矩形大流體域。螺旋槳網(wǎng)格及計(jì)算域網(wǎng)格見圖7、8。

模型劃分完網(wǎng)格后，在Gambit里進(jìn)行邊界條件定義，并生產(chǎn)*.mesh文件，導(dǎo)入Fluent內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖7 螺旋槳網(wǎng)格

圖8 計(jì)算域網(wǎng)格

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 螺旋槳推力及轉(zhuǎn)矩

表2、3為Fluent計(jì)算得到的在相同條件下，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中兩個(gè)螺旋的推力及兩個(gè)螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)的螺旋槳推力。

表2 泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳推力 N

表3 螺旋槳單獨(dú)作用螺旋槳推力 N

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，左、右螺旋槳的推力分別為1.215×106、1.207×106N，較螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)的螺旋槳推力1.149×106、1.137×106N,增幅為5.57%、6.13%。主要原因是噴水推進(jìn)器出流作用于螺旋槳槳葉葉面處，使其壓力葉面壓力增加，提高螺旋槳推力。

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中左側(cè)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩1.183×104N·m，較螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)的螺旋槳轉(zhuǎn)矩1.124×104N·m增幅5.27%；右側(cè)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩1.212×104N·m，較螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)的螺旋槳推力1.144×104N·m增幅5.89%。泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)能有效提高螺旋槳的推力。同時(shí)，對螺旋槳的轉(zhuǎn)矩也有很大的影響。

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，左側(cè)螺旋槳推進(jìn)效率為ηBL=0.654，右側(cè)螺旋槳推進(jìn)效率ηBR=0.635；當(dāng)螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)，左側(cè)螺旋槳的推進(jìn)效率ηPL=0.651，右側(cè)螺旋槳的推進(jìn)效率ηPR=0.633。泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，螺旋槳推進(jìn)效率相比于螺旋槳單獨(dú)作用時(shí)略微提高。

3.2 噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能

表4、5為由Fluent軟件計(jì)算得到的噴水推進(jìn)器在泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中及噴水推進(jìn)器單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的推力。其中噴水推進(jìn)器單獨(dú)作用時(shí)推力為7.566×105N，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中噴水推進(jìn)器推力為7.545×105N，較單獨(dú)作用時(shí)減幅達(dá)0.28%。

表4 泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)噴水推進(jìn)器推力 N

表5 噴水推進(jìn)器單獨(dú)作用推力 N

噴水推進(jìn)器單獨(dú)作用時(shí)轉(zhuǎn)矩為8.068×103N·m，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中噴水推進(jìn)器轉(zhuǎn)矩為8.057×103N·m，較單獨(dú)作用時(shí)減幅0.36%。

由此可見泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能受影響較小，幾乎沒有變化。

1)泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，噴水推進(jìn)器進(jìn)水口流速v0=8.8 m/s，出水口流速vj=19.8 m/s，流經(jīng)噴水推進(jìn)器的流體流量Q=32 m3/s。

根據(jù)T凈=ρQ(vj-v0)得到噴水推進(jìn)器產(chǎn)生的凈推力T=3.52×105N，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率為0.467。

2)在噴水推進(jìn)器單獨(dú)作用時(shí)，v0=8.7 m/s，vj=19.6 m/s，Q=31.73 m3/s，T=3.459×105N，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率為0.457。

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率幾乎不受影響。數(shù)值計(jì)算所得噴水推進(jìn)器效率僅為0.457是因本文并未對噴水推進(jìn)器進(jìn)、出水管道進(jìn)行優(yōu)化，對噴水推進(jìn)器推進(jìn)效率影響較大。

4 結(jié)論

泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中與兩種推進(jìn)器單獨(dú)作用比較，螺旋槳推力增加6.0%，轉(zhuǎn)矩增加5.5%，推進(jìn)效率略微提升；噴水推進(jìn)器的推力、轉(zhuǎn)矩變化幅度均不超過0.5%。因此，泵槳聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)中，螺旋槳的推進(jìn)性能對流場的變化更敏感，而噴水推進(jìn)器受外部流場影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給于更多的關(guān)注。

[1] 孫存樓，王永生，丁江明，等.一種新式聯(lián)合動(dòng)力裝置在現(xiàn)代戰(zhàn)斗艦艇上的應(yīng)用分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2006(10)：39-42.

[2] 孫存樓，王永生，丁江明，等．噴水推進(jìn)器推力的動(dòng)量計(jì)算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2006 (6)： 1098-1101

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