常書(shū)平，王永生，丁江明，聶沛軍

（海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢430033）

1 引 言

噴水推進(jìn)集“槳—舵—車(chē)”于一體從而使噴水推進(jìn)船具有優(yōu)異的操縱性和機(jī)動(dòng)性[1]。目前，國(guó)際上在營(yíng)運(yùn)的高速渡輪和游艇大多采用了噴水推進(jìn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)噴水推進(jìn)在國(guó)內(nèi)也必將會(huì)有越來(lái)越大的應(yīng)用市場(chǎng)。噴水推進(jìn)器各部件之間以及推進(jìn)器與推進(jìn)載體之間復(fù)雜的流體相互作用會(huì)直接影響到噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能，清楚地掌握流場(chǎng)細(xì)節(jié)特征對(duì)于噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。以往對(duì)噴水推進(jìn)器的研究大多采用理論分析和試驗(yàn)方法，前者簡(jiǎn)化和假設(shè)較多，而后者又存在周期長(zhǎng)、投資大等困難。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法能夠?qū)碚摲治龊驮囼?yàn)方法無(wú)法或很難測(cè)量和分析的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和顯示。它能在降低設(shè)計(jì)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期及提高設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面都發(fā)揮重要作用[2-3]。目前，將CFD技術(shù)融入到推進(jìn)器的性能分析、研發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程已成為眾多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和推進(jìn)器生產(chǎn)廠家一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域[4-6]。

本文結(jié)合實(shí)例介紹了CFD技術(shù)在船舶新型噴水推進(jìn)器性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和推進(jìn)性能預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。首先，對(duì)某新設(shè)計(jì)出的噴水推進(jìn)器各過(guò)流部件性能進(jìn)行了綜合評(píng)估，包括泵宏觀外特性、導(dǎo)葉體整流效果、進(jìn)水流道的流動(dòng)分離程度和出流均勻性等；然后，對(duì)各部件進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使性能得到了較明顯提高；最后，在保證各部件性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上，對(duì)裝船后整個(gè)噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能進(jìn)行計(jì)算以預(yù)報(bào)船舶航速，直接檢驗(yàn)了整個(gè)噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)成功與否。

2 新型噴泵水力性能評(píng)估

2.1 數(shù)值模型

新設(shè)計(jì)出的噴泵數(shù)值計(jì)算域如圖1，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散如圖2?？紤]到葉柵通道的周期性，導(dǎo)葉體和葉輪網(wǎng)格劃分只針對(duì)葉片單通道進(jìn)行，分別采用了H型和J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。葉片周?chē)捎肙型網(wǎng)格，葉頂間隙采用數(shù)層獨(dú)立的H型網(wǎng)格，壁面第一層網(wǎng)格厚度取為10-2R（R為轉(zhuǎn)子半徑）。圖3為噴泵在設(shè)計(jì)流量工況時(shí)揚(yáng)程的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性曲線，最終采用的網(wǎng)格數(shù)為1.82×106。計(jì)算結(jié)果主要壁面y+＝14～60，滿足湍流模型對(duì)壁面流動(dòng)模擬的要求。

圖1 新型噴泵數(shù)值計(jì)算域和邊界條件Fig.1 Computed region and boundary conditions of new waterjet pump

圖2 噴水推進(jìn)泵網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the waterjet pump

采用工程中應(yīng)用最廣泛的雷諾時(shí)均方法求解噴泵內(nèi)的粘性不可壓縮流場(chǎng)，采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）湍流模型封閉控制方程。應(yīng)用有限體積法將控制方程和邊界條件做相應(yīng)離散，采用多參考系（MFR）方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。邊界條件的設(shè)置為：來(lái)流面為流量進(jìn)口；噴口為壓力出口；葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，葉輪的葉片和輪轂為相對(duì)靜止壁面條件，葉輪外殼為絕對(duì)靜止壁面條件；導(dǎo)葉體、噴口及進(jìn)流直管為靜止區(qū)域。采用全隱式耦合求解技術(shù)同時(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程，避免了傳統(tǒng)算法需要“假設(shè)壓力項(xiàng)—求解—修正壓力項(xiàng)”的反復(fù)迭代過(guò)程。計(jì)算時(shí)對(duì)揚(yáng)程H和功率P變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，確保解的良好收斂。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)揚(yáng)程計(jì)算值Fig.3 Calculated pump head of different mesh

2.2 結(jié)果分析

由表1和圖4得：噴泵在設(shè)計(jì)點(diǎn)的水力性能滿足設(shè)計(jì)要求，效率η=89.4%。該噴泵在設(shè)計(jì)點(diǎn)左右的較寬流量工況范圍內(nèi)效率曲線較平坦，這十分有利于噴泵的穩(wěn)定工作，對(duì)減小振動(dòng)噪聲和節(jié)約能源都有積極意義。

表1 噴泵設(shè)計(jì)點(diǎn)結(jié)果Tab.1 Results at the design point

圖5是葉輪葉片表面壓力分布，壓力系數(shù)Cp定義為

式中：p為葉片表面的靜壓；p0為環(huán)境參考?jí)毫?；v0為來(lái)流軸向速度。橫坐標(biāo)x/c表示葉片表面點(diǎn)位置距導(dǎo)邊距離x與弦長(zhǎng)c的比值，0表示導(dǎo)邊，1表示隨邊。比較相對(duì)半徑r/R=0.1，r/R=0.5，r/R=0.9三個(gè)截面上壓力面與吸力面壓差可以得出，葉片的做功能力從葉根至葉頂是遞增的，這正體現(xiàn)出了葉片設(shè)計(jì)時(shí)展向變環(huán)量思想，這對(duì)減小葉根扭曲十分有利。

圖4 噴泵的水力性能Fig.4 Hydraulic performances of waterjet pump

圖5 噴泵葉輪壓力特性Fig.5 Pressure characteristic of the impeller

3 部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)

導(dǎo)葉的作用是消除從葉輪流出液流的速度環(huán)量，將液流圓周動(dòng)能轉(zhuǎn)換為軸向動(dòng)能，并利用其收縮作用將部分軸面速度的壓能轉(zhuǎn)換為軸向動(dòng)能。采用如下三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估導(dǎo)葉整流效果：

（1）周向速度壓頭與軸向速度壓頭比值

（2）速度加權(quán)平均角θ參數(shù)

式中：uci和uai分別為截面單元的周向速度和軸向速度。θ越接近90°說(shuō)明整流效果最好。

（3）噴泵出口速度環(huán)量Γ

表2 設(shè)計(jì)工況導(dǎo)葉整流性能優(yōu)化Fig.2 Optimization of the diffuser at design point

從圖6和表2可得：改進(jìn)后導(dǎo)葉使噴泵出流垂直度和導(dǎo)葉片間流場(chǎng)和都有了明顯改善，噴泵出口環(huán)量減小且分布連續(xù)過(guò)渡均勻。整個(gè)葉片大部分區(qū)域速度環(huán)量較小且分布連續(xù)均勻，而靠近輪轂和外殼處因受邊界層影響而速度環(huán)量值仍較大。

圖6 原導(dǎo)葉和改進(jìn)后導(dǎo)葉整流效果對(duì)比Fig.6 Comparison of stator rectifying performance

3.2 進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)水流道作為將水流從船底導(dǎo)入噴泵的過(guò)流通道，它的結(jié)構(gòu)不僅影響自身的水力性能，還會(huì)直接影響噴水推進(jìn)泵的效率、抗空化性能以及振動(dòng)噪聲性能，從而對(duì)整個(gè)噴水推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能產(chǎn)生顯著影響[9]。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，對(duì)船底與流道交界處和進(jìn)口唇部處等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。進(jìn)口速度分布采用平板邊界層速度分布來(lái)表示，根據(jù)Svenssen和Grossi對(duì)噴水推進(jìn)船實(shí)船的測(cè)量結(jié)果[7]，邊界層厚度δ可采用Wieghardt公式δ=0.27x（Re）-1/6近似求取。

原流道內(nèi)的流線分布十分紊亂，流動(dòng)分離嚴(yán)重。適當(dāng)降低了流道高度和加長(zhǎng)了流道長(zhǎng)度，并重新計(jì)算。原流道和優(yōu)化后的流道性能對(duì)比如圖7，可見(jiàn)流道流動(dòng)性能有了較大改善。

圖7 原流道和改進(jìn)后流道性能對(duì)比Fig.7 Comparison of waterjet inlet flow performance

用以下指標(biāo)來(lái)定量評(píng)估流道性能：

（1）速度分布不均勻度系數(shù)ξ[8]

其中：Q為出口截面的體積流量，u為出口截面各單元格上的局部速度，Uˉ為截面平均速度。出口截面的速度分布越不均勻，ξ就越大，反之ξ越小。

（2）速度加權(quán)平均角θ參數(shù)（定義同上節(jié)）

（3）流道效率 ηinlet

ηinlet定義為流道出口的總能Eoutlet與進(jìn)入流道的能量ECaptureArea之比，進(jìn)流面取為進(jìn)水口前往船頭方向一倍直徑位置處的橫截面[9]。

從表3同樣可得到改進(jìn)后流道的性能與原流道相比有了明顯提高的結(jié)論。

表3 流道性能優(yōu)化Tab.3 Optimization of waterjet intake duct at design point

4 快速性預(yù)報(bào)

在各部件性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上，將噴泵、進(jìn)水流道和船底合為一個(gè)流場(chǎng)控制體數(shù)值計(jì)算（圖8）?？紤]到船底邊界層的影響和數(shù)值計(jì)算邊界條件的設(shè)置，船底流場(chǎng)區(qū)域各個(gè)邊界與進(jìn)水口的距離要合適。噴水推進(jìn)器船底流場(chǎng)區(qū)域控制體長(zhǎng)、寬和深度分別取葉輪進(jìn)口標(biāo)稱(chēng)直徑30倍、10倍和8倍可滿足數(shù)值計(jì)算要求[10]。通過(guò)對(duì)受力壁面積分求出與水接觸的噴水推進(jìn)器每個(gè)內(nèi)表面受力（包括壓力和剪切力），然后將推力曲線與船體阻力曲線迭加來(lái)預(yù)報(bào)航速，如圖9（圖中數(shù)值都以設(shè)計(jì)值為基準(zhǔn)進(jìn)行了單位化處理）?？梢?jiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)器航速較原噴水推進(jìn)器航速有了明顯提高。

圖8 整個(gè)噴水推進(jìn)器流場(chǎng)控制體Fig.8 Control volume of the whole waterjet

圖9 噴水推進(jìn)器推力與船體阻力Fig.9 Waterjet thrust and ship resistance

5 結(jié) 論

本文結(jié)合實(shí)例討論了CFD技術(shù)在船舶噴水推進(jìn)器性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和推進(jìn)性能預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）介紹了噴水推進(jìn)器各部件性能評(píng)估方法。既從揚(yáng)程、功率和效率性能檢驗(yàn)了噴泵葉輪的做功能力，又采用多種定性和定量指標(biāo)對(duì)導(dǎo)葉整流效果和進(jìn)水流道引流性能進(jìn)行了綜合評(píng)判。并據(jù)此進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）CFD技術(shù)可快速準(zhǔn)確地檢驗(yàn)噴水推進(jìn)船舶是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)航速，確保最終設(shè)計(jì)成功。

（3）使用CFD技術(shù)可在模型試驗(yàn)之前對(duì)噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效的分析、比較和優(yōu)化，這既縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期又節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用，更提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。

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