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        噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴水推進(jìn)器性能影響的研究

        2014-06-27 06:40:40,,
        船海工程 2014年6期
        關(guān)鍵詞:噴口推進(jìn)器導(dǎo)葉

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        (海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430033)

        噴水推進(jìn)是利用噴水推進(jìn)泵內(nèi)的葉輪對(duì)水做功,經(jīng)導(dǎo)葉整流后,高速水流從噴口噴出,從而獲得推力的一種新型船舶推進(jìn)方式。它具有高航速時(shí)推進(jìn)效率高、不易空化、水下輻射噪聲低、船舶操縱性優(yōu)和機(jī)動(dòng)性能好等諸多常規(guī)螺旋槳所不能比擬的特點(diǎn),并依托這些優(yōu)良特性在高速高性能船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō),最適合的噴水推進(jìn)器都是單獨(dú)設(shè)計(jì)的,但為了降低設(shè)計(jì)和制造成本,噴水推進(jìn)供應(yīng)商普遍采用了產(chǎn)品系列化的技術(shù)進(jìn)行了批量生產(chǎn)。世界著名的噴水推進(jìn)裝置生產(chǎn)商KaMeWa、Lips、MJP和Hamilton等的共同點(diǎn)是:噴水推進(jìn)裝置都已系列化和大型化;各公司都建立了自己的噴水推進(jìn)裝置的規(guī)格系列,有的以泵進(jìn)口直徑的厘米數(shù)(cm)命名,如KaMeWa和Lips公司; 有的公司以進(jìn)口直徑的毫米數(shù)(mm)命名,如MJP公司。

        三元設(shè)計(jì)方法的引入和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展使得船舶噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化變得更加的方便和精益求精了。噴口作為噴水推進(jìn)器的一個(gè)重要組成部分,它在推進(jìn)器尾部的幾何收縮可以將導(dǎo)葉器的出流壓能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,以更高的速度向船后噴出,從而獲得更大的推力;噴口的直徑是設(shè)計(jì)者在考慮船舶的性能之后,通過(guò)最佳噴速比來(lái)確定的,但噴口的軸向長(zhǎng)度則需要設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。由于噴口流體流速極高,且壁面摩擦等因素的影響,過(guò)長(zhǎng)的噴口會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦損失,整個(gè)推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力就會(huì)降低;過(guò)短的噴口又不容易將其內(nèi)水流整為軸向,因此推力也會(huì)減小。因此,找到合適的噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴泵的設(shè)計(jì)者顯得尤為重要。目前國(guó)外的噴口設(shè)計(jì)可以將流量損失降到1%以下,而國(guó)內(nèi)對(duì)噴口長(zhǎng)度的相關(guān)研究較少[4-10]。為了探索噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴水推進(jìn)器整流效果和效率的影響,提高噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能以及為設(shè)計(jì)者提供一定的參考,運(yùn)用CFD方法,通過(guò)改變某噴泵噴口的軸向長(zhǎng)度,研究不同軸向長(zhǎng)度對(duì)噴口出流的不均勻度、噴射效率以及泵所產(chǎn)生的推力影響。

        1 控制方程與方法驗(yàn)證

        1.1 控制方程

        利用基于中心節(jié)點(diǎn)控制和有限體積法的計(jì)算流體力學(xué)程序來(lái)求解RANS方程,選擇SST模式對(duì)湍流進(jìn)行模擬,不可壓粘性流體數(shù)值求解的控制方程如下。

        (1)

        (2)

        式中:fi——質(zhì)量力;

        μ——流體動(dòng)力粘性系數(shù);

        μi——湍流動(dòng)力粘性系數(shù)。

        1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

        在對(duì)混流泵不同噴口長(zhǎng)度下數(shù)值計(jì)算前,對(duì)國(guó)外的某型混流泵進(jìn)行數(shù)值模擬,以驗(yàn)證文中所用方法和模型的可信性。

        該泵的葉輪進(jìn)口直徑為710 mm,有6個(gè)葉片和11個(gè)導(dǎo)葉,其幾何模型見圖1。

        圖1 KaMeWa71SII幾何模型

        該噴泵流體性能數(shù)值計(jì)算的幾何分為噴口、導(dǎo)葉、葉輪以及為計(jì)算敞水性能所添加的進(jìn)口直管。噴口和進(jìn)口直管都采用ICEM軟件,劃分六面體網(wǎng)格,近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行了加密,以保證捕捉到邊界層。導(dǎo)葉和葉輪采用TurboGrid軟件劃分六面體網(wǎng)格,葉頂間隙處設(shè)置10層網(wǎng)格。在網(wǎng)格數(shù)量選擇上,對(duì)葉輪在880 r/min工況下的流量進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果見圖2。

        圖2 流量與網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性圖

        從圖2中可以看出,葉輪網(wǎng)格至少需要70萬(wàn),才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計(jì)算的過(guò)程中權(quán)衡了計(jì)算速度和對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)的有效捕捉兩個(gè)方面,對(duì)不同的部件使用了不同的網(wǎng)格。表1中各個(gè)部件的Y+反映了部件表面的邊界層情況,根據(jù)幫助文件要求,以小于200為準(zhǔn)。

        表1 各部件網(wǎng)格數(shù)

        邊界條件設(shè)定為總壓進(jìn)口,靜壓出口。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為物理時(shí)間1/ω,其中ω為葉輪轉(zhuǎn)速,(°)/s。計(jì)算孤立泵轉(zhuǎn)速在700~1 200 r/min下功率的變化情況。

        計(jì)算結(jié)果見表2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)做了不同轉(zhuǎn)速下的歸一處理。對(duì)比可以看出,計(jì)算值與廠商提供數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在3%以內(nèi),滿足工程要求。說(shuō)明該方法計(jì)算水動(dòng)力特性是可信的,也為接下來(lái)的噴口改進(jìn)工作提供了實(shí)際支撐。

        表2 KaMeWa71SⅡ軸功率計(jì)算結(jié)果

        2 CFD數(shù)值計(jì)算

        噴泵的敞水性能是指孤立泵在均勻進(jìn)流條件下的性能,即不加進(jìn)水流道時(shí)噴泵在均勻流場(chǎng)中的水力性能,它是船后泵性能分析的基礎(chǔ)。

        以KaMeWa71SII混流式噴水推進(jìn)泵為對(duì)象,以其導(dǎo)葉輪轂處尖角至噴口出口處的長(zhǎng)度為噴口的軸向長(zhǎng)度(251.6 mm),以依次增加或減少原噴口長(zhǎng)度的10%(25 mm)為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其噴口進(jìn)行系列化改變,計(jì)算比較噴泵的敞水性能。

        為了保證連接曲線與導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線都相切,在作圖過(guò)程中使用了貝賽爾曲線來(lái)連接導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線,從而保證從導(dǎo)葉流出的高速水流在噴出過(guò)程中的能量損失最小。各噴口在UG中的輪廓線見圖3,回轉(zhuǎn)后的噴口見圖4。

        圖3 噴口輪廓線示意

        圖4 不同長(zhǎng)度的噴口

        2.1 網(wǎng)格劃分

        采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域空間離散,對(duì)進(jìn)流管和噴口壁面附近網(wǎng)格加密以較好地模擬壁面附近流動(dòng)。葉輪單通道節(jié)點(diǎn)數(shù)為15萬(wàn),導(dǎo)葉單通道為10萬(wàn)。葉輪扭曲度較大使用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),導(dǎo)葉采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中,葉片和導(dǎo)葉附近都采用了O型網(wǎng)格。各部件網(wǎng)格見圖5。

        圖5 各部件網(wǎng)格

        整個(gè)流場(chǎng)控制體總共采用了約310萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元,Y+控制在30以內(nèi),不同軸向尺寸的噴口,根據(jù)噴口的長(zhǎng)短對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,保證不同噴口中網(wǎng)格單元的大小差別不大,減小了因?yàn)榫W(wǎng)格的疏密造成的誤差。

        2.2 邊界條件

        對(duì)噴水推進(jìn)泵孤立泵水力性能進(jìn)行計(jì)算時(shí),為保證均勻進(jìn)流,在葉輪進(jìn)口前加進(jìn)流直管段,其直徑為葉輪進(jìn)口直徑,長(zhǎng)度為2倍直徑。噴水推進(jìn)器的進(jìn)口設(shè)為總壓進(jìn)口,出口設(shè)為靜壓出口,推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速設(shè)為常用工況900 r/min。

        2.3 計(jì)算方法

        噴水推進(jìn)系統(tǒng)的流場(chǎng)區(qū)域采用穩(wěn)態(tài)多參考系(MRF)方法進(jìn)行計(jì)算,葉輪內(nèi)的流場(chǎng)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計(jì)算,導(dǎo)葉體和流道內(nèi)的流場(chǎng)采用固定坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù),聯(lián)立求解連續(xù)方程和RANS方程,然后求解湍流方程。

        3 CFD計(jì)算結(jié)果及分析

        根據(jù)上述方法,對(duì)不同噴口的噴水推進(jìn)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,結(jié)果見圖6、7、8。

        圖6 噴口長(zhǎng)度和揚(yáng)程關(guān)系示意

        圖7 噴口長(zhǎng)度和泵效率關(guān)系示意

        圖8 噴口長(zhǎng)度和推力關(guān)系示意

        分析發(fā)現(xiàn),隨著噴口軸向長(zhǎng)度的增加,泵的揚(yáng)程降低,泵效率也逐漸降低,這是因?yàn)閲娍谳S向長(zhǎng)度增加之后,壁面摩擦阻力增加,流量減小,揚(yáng)程降低,使得水力功率降低,進(jìn)而使泵的效率下降。

        分析還發(fā)現(xiàn),隨著噴口軸向長(zhǎng)度的增加,敞水泵的推力是先增加后減小,在251.6 mm,即泵進(jìn)口直徑的35%左右時(shí),推力值達(dá)到最大。分析認(rèn)為噴口的主要作用在于整流的同時(shí),將導(dǎo)葉體出流的壓力能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,提高噴口的出流速度,噴口太短,液體的壓力能就不能很好地轉(zhuǎn)化為動(dòng)力能,產(chǎn)生的推力就小;噴口太長(zhǎng),液體的壓力能雖然能夠充分地轉(zhuǎn)化為動(dòng)力能,但噴口太長(zhǎng)會(huì)引起壁面摩擦阻力增加,出口流量減小,產(chǎn)生的推力也會(huì)變小。

        因此,250 mm左右是噴口的最佳值,在此情況下,壓力能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能與壁面摩擦阻力之差最大,推力值達(dá)到最高。

        4 結(jié)論

        通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法,運(yùn)用CFX軟件對(duì)71SII在不同噴口尺寸下噴泵的水力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn):噴口的長(zhǎng)度增加時(shí),噴口的揚(yáng)程不斷降低,效率會(huì)不斷減小泵的推力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì);當(dāng)噴口長(zhǎng)度達(dá)到35%的葉輪進(jìn)口直徑時(shí),推力最大。這對(duì)于噴水推進(jìn)器性能改進(jìn)過(guò)程中噴口的優(yōu)化提供了一定的參考依據(jù)。

        本文對(duì)混流泵的最佳噴口長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算分析,其推力在326.6 mm左右時(shí),趨勢(shì)不是特別好,還需要進(jìn)一步研究。另外,對(duì)于軸流泵噴口的設(shè)計(jì)以及噴口和導(dǎo)葉出口處輪轂的匹配,還需要進(jìn)一步計(jì)算。

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