王紹增，王永生，丁江明

（海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033）

噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道及其格柵的優(yōu)化設(shè)計研究

王紹增，王永生，丁江明

（海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033）

針對國內(nèi)某型噴水推進(jìn)快艇試航中航速未達(dá)設(shè)計值的問題，采用CFD數(shù)值實驗的方法對該艇“船+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+格柵”流場進(jìn)行了數(shù)值計算，通過結(jié)果分析得到了該艇進(jìn)水流道的設(shè)計缺陷。該研究從流道進(jìn)水口、格柵、流道出口直徑、背部曲線四個方面對進(jìn)水流道進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后的系統(tǒng)“船+噴水推進(jìn)泵+新進(jìn)水流道+格柵”流場數(shù)值計算結(jié)果表明,進(jìn)水流道優(yōu)化后船的航速、推進(jìn)效率等推進(jìn)性能指標(biāo)都得到了提高，使該艇在加裝8根格柵的情況下能達(dá)到并超過設(shè)計航速。研究結(jié)果表明，噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道及其格柵的性能會對船舶推進(jìn)性能產(chǎn)生顯著影響。

船舶；噴水推進(jìn)；推進(jìn)性能；進(jìn)水流道；格柵；數(shù)值模擬

1 引 言

船舶噴水推進(jìn)器主要由噴水推進(jìn)泵、進(jìn)水流道、格柵等部件組成。進(jìn)水流道是噴水推進(jìn)器的重要部件之一，其主要功能是將船底來流及其能量傳送給裝在尾板上的噴水推進(jìn)泵，它對來流能量的利用率將直接且顯著影響著整個噴水推進(jìn)系統(tǒng)的效率[1-3]。對于經(jīng)常航行在海況復(fù)雜或淺水區(qū)的噴水推進(jìn)船舶，格柵作為重要的保護(hù)構(gòu)件安裝在進(jìn)水流道的入口處，以有效防止木頭、石塊等雜物吸入噴水推進(jìn)泵內(nèi)影響推進(jìn)裝置的正常工作[4]。但加裝格柵后必然會增加流動損失從而降低船舶的推進(jìn)性能。文中通過一個實例來說明帶格柵的進(jìn)水流道性能（流動損失、流量、出口流場均勻性等）對噴水推進(jìn)性能的這種影響。

本文以國內(nèi)某噴水推進(jìn)高速巡邏艇為研究對象。由于進(jìn)水流道中安裝了8根格柵，該艇在實船試航時實測航速只達(dá)到設(shè)計值的97.8%。設(shè)計廠家為了使航速達(dá)到設(shè)計值，從8根格柵（間距25 mm）減至6根格柵（間距34 mm），實船試航航速剛剛達(dá)到設(shè)計值。但帶來的問題是淺水航行時較大尺寸的鵝卵石容易吸入，這對噴水推進(jìn)泵葉輪的可靠安全工作不利。

本文從改進(jìn)進(jìn)水流道吸入口、改變流道幾何結(jié)構(gòu)兩個方面來提高進(jìn)水流道的流動性能，從而得到了完善后的噴水推進(jìn)系統(tǒng)仍然安裝8根格柵的情況下該艇航速仍可達(dá)到并超過設(shè)計值。這個研究結(jié)果說明，噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道及其格柵的性能對船舶推進(jìn)性能會產(chǎn)生顯著影響，方案設(shè)計階段務(wù)必精心設(shè)計和優(yōu)化。

2 噴水推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

2.1 控制方程及湍流模型

噴水推進(jìn)系統(tǒng)的流場是復(fù)雜的粘性不可壓湍流流動，它的速度、動量等都是低尺度、高頻的波動量[5]。本文采用目前工程上應(yīng)用最為成熟和廣泛的雷諾時均方法進(jìn)行數(shù)值計算，把湍流運動看作時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加[6]。將基本的N-S方程引入Boussinesq假設(shè)得到的流動控制方程組為

圖1 計算域及網(wǎng)格劃分Fig.1 Computational domain and mesh grid

2.2 計算模型及網(wǎng)格劃分

進(jìn)水流道的基本幾何尺寸有：出口直徑275 mm，流道高度410 mm，流道縱向總長度1 160 mm，流道過流總體積0.062 5 m3。計算域包括“船+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+格柵”（如圖1（a）），將噴水推進(jìn)泵的葉輪直徑記為D，則計算域按文獻(xiàn)[7]推薦取長、寬、深分別為30D、10D、8D。推進(jìn)泵的網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近壁面采用O型網(wǎng)格并進(jìn)行了加密；船下的水體、流道及格柵采用四面體網(wǎng)格。整個計算域網(wǎng)格單元數(shù)約為540萬，y+控制在200以內(nèi)。在流動變化劇烈區(qū)域，如唇部、彎管和流道與船底相交處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格距壁面0.2 mm。

計算域上游進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，速度大小及梯度分布受航速及邊界層的影響。根據(jù)Svenssen和Grossi對噴水推進(jìn)船實船的測量結(jié)果[8]，邊界層厚度 δ可采用Wieghardt公式近似求取δ=0.27·x·（Re）-1/6，其中x為距船首的距離，Re為雷諾數(shù)。速度分布采用平板邊界層速度分布表示[9]：

其中：V為邊界層內(nèi)流速，Vs為船的航速，δ為船底邊界層厚度，y為距船底的距離，指數(shù)n取為9。

下游的出流面和泵的出口設(shè)相對靜壓為環(huán)境壓力。采用穩(wěn)態(tài)多參考系法（MFR）處理旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止域的數(shù)據(jù)交換問題，設(shè)葉輪葉片及輪轂為相對靜止無滑移壁面。

2.3 計算結(jié)果與分析

對該艇“船+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+格柵”系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在設(shè)計工況時（將此時的航速記為Vs0，主機轉(zhuǎn)速記為n0）計算所得的流場分布如圖2。

圖2 設(shè)計工況時系統(tǒng)的流場分布Fig.2 Flow distribution in the system at design condition

由圖2中的流線和速度分布可知，該流道設(shè)計主要存在四個缺陷：一是格柵的存在使流通面積減小，流量減小，IVR（其定義見（3）式）偏小，流道工作在分離區(qū)（圖 2（a）、（c））；二是流道背部有大量漩渦，背部流動分離嚴(yán)重（圖 2（b））；三是經(jīng)計算該進(jìn)水流道的效率只有77%，流動損失很大；四是流道背部與船底的過渡不光順，曲率變化很大使背部產(chǎn)生較大的壓力梯度。前兩個缺陷的主要原因是工況偏離額定工況，在主機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時噴水推進(jìn)系統(tǒng)未能達(dá)到額定工況。后兩個缺陷的主要原因一是存在8根格柵，二是流道幾何結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到最優(yōu)。

圖3 無量綱裸泵外特性曲線Fig.3 Non-dimensional performance curve of pump

其中：Vout為流道出口的平均速度，Vs為航速，Q為體積流量，D為流道出口的直徑，d為葉輪軸直徑。

消除前兩個缺陷的措施是增大設(shè)計工況時的IVR。由IVR的定義（（3）式）可知，要增大IVR可以增加流量或減小流道出口直徑，而增大流道的流量首先需要分析噴水推進(jìn)泵的性能。廠家提供的無量綱裸泵外特性曲線如圖3所示，該工況的流量（直線1）位于裸泵設(shè)計點（直線0）的左側(cè)，適當(dāng)增加流量會使泵的效率增加，但流量的增加幅度不能太大，過大會使泵的功率和揚程下降較大，因此流量的最大值不能超過裸泵設(shè)計點的流量。由于流量的增大有限，要使工作點脫離分離區(qū)必須減小流道出口直徑。

消除后兩個缺陷的措施是優(yōu)化背部曲線形狀，使流道背部與船底的過度光順，使曲率變化最小。

3 新進(jìn)水流道的設(shè)計和優(yōu)化

新進(jìn)水流道的設(shè)計根據(jù)是消除該流道存在的缺陷并制定優(yōu)化方案：一是通過增加進(jìn)水口的面積來增大流量，二是減小流道出口直徑以增大IVR，三是優(yōu)化背部曲線的形狀以減小曲率的變化。

3.1 進(jìn)水口的設(shè)計

進(jìn)水口是流體進(jìn)入噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道的入口。在航速一定的條件下，進(jìn)水口的形狀和面積的大小決定了進(jìn)入流道的流體流量的大小。本文的具體措施是將進(jìn)水口寬度由275 mm增加到295 mm，長度由655 mm增加到1 080 mm（如圖4），并將原來的橢圓形進(jìn)水口改成國際上應(yīng)用最廣的“半橢圓+矩形”進(jìn)水口。

圖4 進(jìn)水口優(yōu)化示意圖Fig.4 The optimization of the duct’s inlet

3.2 格柵的設(shè)計

為了適應(yīng)進(jìn)水口寬度方向的增加，格柵的間距由25 mm增加到28mm（如圖5（a））。為了使格柵中間加強筋與來流的速度方向一致，將其中線與水平面的夾角（傾角）從38°減小到25°（如圖5（b））以避免流體流經(jīng)格柵時產(chǎn)生不必要的渦流損失。

圖5 格柵優(yōu)化示意圖Fig.5 The optimization of the grids

3.3 流道出口段的設(shè)計

原流道出口直徑，即泵的進(jìn)口直徑為275 mm。經(jīng)過計算當(dāng)流道出口直徑減小到250 mm時，IVR增加到0.56，此時基本脫離分離區(qū)。為了實現(xiàn)與泵的進(jìn)口對接，中間需要加一段過渡段。此過渡段太短不能實現(xiàn)光順過渡，太長將會增加縱向距離，本文將此過渡段的長度取為30 mm（如圖6（a））。

3.4 背部曲線的設(shè)計

背部曲線的設(shè)計使背部曲線與船底相切，同時曲率減小到最小。所得幾何形狀與原流道對比參見圖 6（b）。

圖6 流道出口和背部曲線優(yōu)化示意圖Fig.6 The optimization of the duct’s outlet and the ramp curve

4 優(yōu)化后系統(tǒng)的計算結(jié)果分析

通過對進(jìn)水口、格柵、流道出口段和背部曲線的優(yōu)化，得到了新的進(jìn)水流道及格柵。仍用原來的噴水推進(jìn)泵和船體，組成了“船+噴水推進(jìn)泵+新進(jìn)水流道+8根格柵”的系統(tǒng)。計算工況仍取為航速Vs0，主機轉(zhuǎn)速n0。對其進(jìn)行數(shù)值模擬，所得到的流場如圖7。

圖7 設(shè)計工況時新系統(tǒng)的流場分布Fig.7 Flow distribution in the new system at design condition

經(jīng)計算，改進(jìn)后的進(jìn)水流道的流量為528 kg/s，流道效率為85%，流道出口的不均勻度為0.196 6。對于噴水推進(jìn)泵來說，流量528 kg/s小于設(shè)計流量539 kg/s但比原先512 kg/s更加接近設(shè)計流量，實現(xiàn)了泵效率的提高，同時使泵的揚程和功率不會下降太大。計算得到此時泵的功率為250.5 kW，小于設(shè)計時泵的吸收功率262 kW，說明主機能夠帶動泵在該工況下運行。因此流量的增加提高了泵的性能。

下面用數(shù)值方法對優(yōu)化后的噴水推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行快速性預(yù)報。分別計算了三個航速Vs0、1.029Vs0、1.057Vs0的流場，在后處理中用壁面積分法求取推力，將這三個點的推力值疊加到廠家提供的船的阻力曲線上，并將這三個點連成一條曲線，它與阻力曲線的交點即為預(yù)報航速。同理可得原系統(tǒng)的推力曲線和預(yù)報航速（如圖8）。

由圖8可得，在不考慮推力減額的情況下，數(shù)值計算新系統(tǒng)的預(yù)報航速約為1.043Vs0。參照原“船+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+8根格柵”系統(tǒng)航速預(yù)報的偏差值，假設(shè)預(yù)報誤差仍偏高1.8%，則實際航速約為1.024Vs0。這表明流道優(yōu)化后的航速已經(jīng)達(dá)到并超過設(shè)計航速。將加裝8根格柵時進(jìn)水流道優(yōu)化前后各部件及推進(jìn)系統(tǒng)的性能對比列表如下（表1）。

由表1的計算結(jié)果對比可知，進(jìn)水流道的優(yōu)化能提高船舶推進(jìn)性能，本例中航速增加了5.4%，泵的收到功率下降了0.2 kW，總推力增加了0.6 kN，推進(jìn)效率增加了5%。

表1 進(jìn)水流道優(yōu)化前后的性能對比Tab.1 Performance comparison between before and after optimization

圖8 流道優(yōu)化后的航速預(yù)報Fig.8 Speed forecast after the optimization of the inlet duct

5 結(jié) 論

（1）進(jìn)水流道優(yōu)化后能夠顯著提高船的航速、推進(jìn)效率，使加裝了8根格柵的該艇仍能達(dá)到并超過設(shè)計航速。

（2）在進(jìn)行進(jìn)水流道優(yōu)化時，合理調(diào)節(jié)流道的流量可以使推進(jìn)泵的工作點偏向高效區(qū)，從而提高推進(jìn)泵的效率。合理調(diào)節(jié)流道流量的原則是保證進(jìn)水口在加裝格柵后仍有充足的流通面積，具體措施是采用合理的進(jìn)水口形狀、增大進(jìn)水口面積。

（3）消除進(jìn)水流道流動分離的方法是提高IVR，主要措施是適當(dāng)增大流量和減小流道出口直徑。為了與泵的進(jìn)口對接可加一段過渡段以使過渡光順。

（4）提高流道效率的方法是減小格柵引起的流動損失和流道進(jìn)口處水流的偏折損失，具體措施是保持格柵加強筋的傾角與來流速度方向一致，使流道背部曲線與船底過渡光順以減小背部曲線曲率的變化。

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Study on the optimization design of duct with grid of waterjet propulsion

WANG Shao-zeng,WANG Yong-sheng,DING Jiang-ming

(College of Naval Architecture and Marine Power,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

A type of domestic waterjet boat did not reach the design speed in the first sea tial.The flow field of“ship+pump+duct+grid” of this boat was calculated by CFD method,and then the defects of the duct was analyzed.After the optimization of the duct,grid,outlet diameter and ramp curve,the new system of the “ship+pump+duct+grid” was calculated and compared with the original system.The research result indicates that the propulsion performance of the improved duct,such as ship speed and propulsion efficiency,is increased,which makes the new waterjet propulsion system with 8 grids exceed the design ship speed.The result proves that the waterjet duct with grid has a great effect on the propulsion performance of marine waterjet.

ship;waterjet;propulsion performance;inlet duct;grid;numerical simulation

U664.34

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.04.001

1007-7294（2014）04-0357-06

2013-04-12

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（51009142）

王紹增（1983-），男，碩士研究生，研究方向為船舶噴水推進(jìn)技術(shù)，E-mail:wangshaozeng007@163.com；

王永生（1955-），男，教授，博士生導(dǎo)師； 丁江明（1976-），男，博士，講師，E-mail:goodluckdjm@sina.com。