，，，

(海軍工程大學 動力工程學院,武漢 430033)

噴水推進器從船底由進水口通過進水流道吸水，再經(jīng)噴泵做功通過噴口向船后高速噴出，利用噴出水流反作用力來推動船舶前進[1]。早期，噴水推進系統(tǒng)性能的分析主要采用理論方法和試驗方法。隨著高性能計算機和計算流體力學(CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來數(shù)值模擬方法越來越多地應用于噴水推進器部件與系統(tǒng)流場分析評估與性能預報等研究中，并與試驗方法結(jié)合證實了CFD研究噴水推進水動力性能方法的可信和有效[2-3]。已有研究表明應用參數(shù)化設(shè)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合流體動力性能優(yōu)良的進水流道的快速設(shè)計[4]；進水流道內(nèi)流動分離的出現(xiàn)對進水流道的效率升高和進水流道阻力的降低都是不利的[5]；通過對三元設(shè)計中葉片負載分布的研究可成功減小葉輪和導葉中的二次流。國內(nèi)某游艇噴水推進快速性校核不佳，分析其原因發(fā)現(xiàn)，進水流道流動性能和葉輪水做功后導葉體的整流性能較差是主要原因，本文討論改進其進水流道性能和提高導葉體的整流性能。

1 基礎(chǔ)理論與數(shù)值模型驗證

1.1 基礎(chǔ)理論

在定常條件下,應用不可壓縮的三維連續(xù)方程和RANS方程模擬進水流道內(nèi)流場。

連續(xù)方程為

(1)

動量方程為

(2)

式中：ρ——密度;

μ——流體粘性系數(shù);

利用有限體積法對RANS偏微分方程進行離散，進而對其用數(shù)值方法進行求解。選擇SST兩方程湍流模式封閉方程組(1)和(2)，集合k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點，在近壁面區(qū)域采用k-ω模型模擬，湍流耗散較小，收斂性好，同時具有近壁面區(qū)域粘性流動的可靠性和計算遠場自由流動的精確性；而在湍流發(fā)展充分區(qū)域采用k-ε模型模擬[7]，計算效率高，對復雜流場的適應性更好。k-ε和k-ω兩種模型的結(jié)合能夠更好地模擬粘性底層流動。采用湍流模型加壁面函數(shù)方法減小計算量，提高數(shù)值計算精度。

1.2 數(shù)值模型驗證

選擇國外某一混流式噴水推進泵及進水流道，其噴泵的進口直徑71 cm。首先建模，噴水推進的數(shù)值計算區(qū)域見圖1。

圖1 噴水推進數(shù)值計算區(qū)域

根據(jù)經(jīng)驗取流場控制體[8]長、寬、深分別為30D,10D,8D(其中D為噴水推進泵的標稱直徑)，所有計算區(qū)域全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行離散。在噴泵部分，考慮到葉片沿軸向的幾何通道是周期性旋轉(zhuǎn)的，導葉體和葉輪是對葉片的單通道進行網(wǎng)格劃分，采用H型拓撲結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 噴泵網(wǎng)格

葉片周圍采用O型網(wǎng)格，葉輪的葉頂間隙采用數(shù)層獨立的H型網(wǎng)格，靠近壁面的第一層網(wǎng)格的厚度取0.2 mm。在進水流道部分，流場控制體的上表面、進水流道進水口的背部和唇部以及旋轉(zhuǎn)軸等流體流動變化相對劇烈的位置進行局部網(wǎng)格加密處理見圖3。

圖3 進水流道網(wǎng)格

距離壁面的第一層網(wǎng)格高度為0.2 mm，控制Y+在200以內(nèi)，保證CFD計算時壁面Y+函數(shù)滿足要求。

采用有限體積法離散控制方程對邊界條件做相應的離散，采用工程上常用的雷諾時均法求解噴水推進流場控制域內(nèi)粘性不可壓縮流場，并采用剪切應力輸運(SST)湍流模型進行方程求解。邊界條件設(shè)置：進水流道控制體進流面為速度進口，進口速度(船舶在各個工況下的航速)分布采用平板邊界層速度分布來表示，根據(jù)Svenssen和Grossi[9]對噴水推進船實船的測量結(jié)果，邊界層厚度σ可以采用Wieghardt公式σ=0.27×Re-1/6近似求??；進水流道控制體的出流面為壓力開口(流體可以自由出入)；噴口出流面為壓力出口；葉輪為旋轉(zhuǎn)域，葉輪葉片和輪轂為相對靜止壁面條件，葉輪外殼為絕對靜止壁面條件；導葉體、噴口、進水流道及控制體全部為靜止區(qū)域，過流面全部設(shè)為無滑移壁面。為確保求解值良好的收斂性，計算過程中用壁面積分法對噴水推進器的過流壁面所受到的力T進行動態(tài)監(jiān)控。數(shù)值計算結(jié)果與實船試航提供的推力數(shù)據(jù)相比見表1，所有數(shù)據(jù)都進行了單位化，誤差均在3.5%以內(nèi)，滿足工程應用要求，這說明本文使用的數(shù)值模型和計算方法能可信地應用于工程問題分析。

表1 推力計算結(jié)果與實船試航數(shù)據(jù)對比

2 原噴泵流體動力性能分析及優(yōu)化

對象是國內(nèi)某高速噴水推進游艇的推進部件，噴泵為單級軸流泵, 噴泵進口直徑155 mm，葉輪部分3個葉片，導葉部分6個葉片，在噴口部分存在二級導葉片，見圖4。

圖4 噴泵幾何

計算噴泵的敞水效率，設(shè)置流量進口，噴口的出口為靜壓出口，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，噴泵網(wǎng)格的生成方法與1.2數(shù)值方法驗證的噴泵生成方法一致，分別在180～230 kg/s的流量下對噴泵的揚程、功率和效率值進行監(jiān)控，見圖5。

圖5 噴泵的水力性能

該噴泵的最高效率點在流量為210 kg/s時，最高效率只有81.7%，該噴泵敞水效率較低，對噴泵的敞水效率較低原因進行分析時，把噴泵的葉輪部分和導葉部分分開進行分析，即分別考慮葉輪做功的效率和導葉整流的效率。

1)定義葉輪效率ηrotor。

ηrotor=ρ·g·Q·H/Ppump

(3)

式中：ρ——水的密度；

g——重力加速度；

Q——流量；

H——流體從葉輪進口到葉輪出口增加的揚程；

Ppump——泵的軸功率。

2)定義導葉的效率ηstator。

ηstator=Enozzle,out/Estator,in

(4)

圖6 葉片之間的流線圖

式中:Enozzle,out——噴口的總壓;

Estator,in——葉輪出口的總壓，葉輪的出口和導葉的進口是葉輪和導葉計算域的交界面。

原始設(shè)計的葉輪效率為94.3%，具有較高的效率。導葉部分效率為78.4%，導葉整流效率較低，導葉的葉片整流效果不佳，局部位置存在漩渦，同時在噴口處由于二級導葉的存在，高速流動的流體加大了壁面摩擦損失。對導葉幾何形狀進行修改，使其葉片進口處與流體轉(zhuǎn)向基本保持一致，然后導葉葉片過渡至水平方向。葉輪和導葉改進前后軸面的周向視圖見圖6，流過導葉的流線比較順暢，流體不存在漩渦。

3 進水流道的設(shè)計分析

該高速噴水推進游艇進水流道出口直徑為15.5 cm，進水流道進水口與船底連接，在進水口處加裝有3根格柵，噴水推進器以及船底與水接觸的部分見圖7。

圖7 噴水推進系統(tǒng)和船底幾何模型與網(wǎng)格

對此研究對象的船體、格柵、進水流道等部件進行幾何建模，對進水流道和船底流場控制體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行空間離散，對格柵、軸、船底和流道交界處以及進水口的唇部等流動變化劇烈區(qū)域進行了網(wǎng)格加密。進口速度分布采用平板邊界層速度分布來表示。

計算結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，原進水流道內(nèi)的流線分布十分紊亂，出現(xiàn)的流動分離嚴重，進水流道出口的速度分布相當不均勻。在進水流道出口位置和大小不改變、進水口的位置不改變的情況下，適當加大進水口的面積，對進水流道的背部曲線進行流線型修改，使進水流道背部盡量平滑和流暢，在高航速時來流容易直接沖進使得少出現(xiàn)流動分離，進水流道內(nèi)部流線出現(xiàn)漩渦較少，進水流道出口不均勻度減小。原進水流道和改進后進水流道的出口速度分布云圖和進水流道內(nèi)部流線圖對比見圖8和9。

圖8 進水流道出口速度分布對比

圖9 進水流道內(nèi)部流線分布對比

引入以下指標定量評估進水流道的性能。

1)進水流道出口速度不均勻度ξ[10]。

(5)

式中:Q——出口截面的體積流量；

u——出口截面各單元格上的局部速度；

A——出口截面面積。

出口截面的速度分布越均勻，ξ就越??；反之就越大。

2)進水流道出口速度方向的加權(quán)平均角θ。

(6)

式中：uci——截面單元的周向速度；

uai——截面單元的軸向速速。

θ參數(shù)越接近90°說明整流效果越好。

3)進水流道效率ηinlet。ηinlet定義為進水流道出口的總能Eoutlet與進入流道的能量Ecapturearea之比，進流面取為進水口前往船頭方向1倍直徑位置處的橫截面積[11]。

ηinlet=Eoutlet/EcaptureArea×100%

(7)

(8)

(9)

根據(jù)以上3個指標，得到改進后進水流道的出口速度不均勻度變小，進水流道的效率增加，總體性能明顯優(yōu)于原進水流道，見表2。

表2 進水流道性能優(yōu)化對比

4 噴水推進器推進性能預報

在對導葉葉片和進水流道優(yōu)化設(shè)計后，將“噴水推進泵+進水流道(優(yōu)化后)+格柵+船底”組成的系統(tǒng)置于一定的控制域中，見圖10。

圖10 整個噴水推進系統(tǒng)

設(shè)置進流的邊界條件為航速，研究噴水推進器的推進性能。在轉(zhuǎn)速7 500 r/min的條件下，計算在70～90 km/h航速時的推力性能，并與原進水流道組成的噴水推進系統(tǒng)進行對比，優(yōu)化設(shè)計進水流道后的噴水推進系統(tǒng)的推力和推力效率較改進之前都有提高，見圖11。

圖11 噴水推進器推進性能對比

5 結(jié)論

1)CFD技術(shù)在船舶噴水推進器的研究應用是有效的，可以快速準確地驗證噴水推進船航速能否達到設(shè)計要求，并具體分析各部件對總體性能的影響。這既可以縮短研發(fā)周期又可以極大地節(jié)省模型試驗費用。

2)導葉葉片作為整流部件，使高速周向旋轉(zhuǎn)的流體轉(zhuǎn)化為軸向流動，導葉葉片的設(shè)計應遵循由周向速度往軸向速度過渡，避免整流過程中出現(xiàn)渦旋與回流。

3)針對進水流道中漩渦問題，在保證進水流道出水口大小和高度不變的條件下，對背部的曲線進行了重新設(shè)計，對進水流道背部與軸交界位置選擇平滑光順過渡，有利于改善此處的流動分離問題，對進水流道的設(shè)計具有指導作用。

4)進水流道優(yōu)化改進后，改善了噴泵進流條件，充分利用了來流動能，提高了噴水推進泵的推進性能。通過改進進水流道，各工況下噴水推進器的推進性能均有顯著提高。

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