靳栓寶，沈洋，王東，王永生，魏應三，胡鵬飛

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

基于數(shù)值試驗及實船試航的噴水推進器改型設計

靳栓寶，沈洋，王東，王永生，魏應三，胡鵬飛

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

采用基于雷諾時均法的SST湍流模型對“某軸流式噴水推進泵+進水流道+船體”系統(tǒng)進行數(shù)值計算，查找出了該噴水推進泵和進水流道設計存在的一些問題。依據(jù)該船體阻力、設計航速和主機功率等參數(shù)重新對該船噴水推進器進行選型，進而運用三元的方法對噴水推進泵進行設計，利用參數(shù)化設計的方法對流道進行設計。采用了數(shù)值試驗的方法校核新設計的混流式噴水推進器流體動力性能，計算結果表明：新設計噴水推進泵和進水流道性能優(yōu)異，并且能夠較好地滿足快速性指標。最后，對改進設計的噴水推進器進行了快速性預報和實船試航，試航結果表明新設計混流式噴水推進器推進航速超過設計航速9.4%，并且數(shù)值預報航速與試航結果誤差為1.5%，這既驗證了設計方法的有效性，也驗證了所采用的數(shù)值模型的準確性。

船舶；噴水推進泵；進水流道；航速；優(yōu)化設計；數(shù)值模擬

0 引言

隨著計算機技術和數(shù)值計算模型的發(fā)展，數(shù)值試驗方法已經(jīng)被廣泛應用于推進器的性能分析與優(yōu)化，模擬精度也已達到工程認可的范圍[1-2]。本文建立了“某軸流式噴水推進泵+進水流道+艇體”的數(shù)值模型，用計算流體力學方法（CFD）計算了其流體動力性能，通過后處理的數(shù)據(jù)分析找出了原噴泵和進水流道的設計缺陷。進而，運用噴水推進理論對噴泵進行選型，運用三元方法設計了所選型的混流式噴水推進泵，運用參數(shù)化設計方法設計了進水流道，再運用CFD方法計算并完善了混流式噴水推進泵和進水流道的性能。接著，再運用CFD方法計算并分析了“混流式噴泵+進水流道+船體”的推進性能，完成了快速性預報。然后，將噴泵和進水流道的數(shù)值模型直接用于產(chǎn)品生產(chǎn)，跨越了常規(guī)方法中的模型試驗階段。最后，對新設計的混流式噴水泵和進水流道進行裝船試航，試航結果為新系統(tǒng)的實船最高平均航速高于設計航速9.4%。實船試航數(shù)據(jù)證明了所用數(shù)值設計和驗證方法的有效性和可信性。本文是上述工程研究中所用方法的一個全面研討。

1 某噴水推進器性能CFD計算與分析

利用基于中心節(jié)點控制和有限體積法的計算流體力學程序來求解RANS方程，采用SST湍流模型進行計算求解，其融合了k-ε和k-ω兩種湍流模型，在自由流動區(qū)域使用k-ε模式，而在近壁面區(qū)域（y+＜2.5）使用k-ω模型中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過混合函數(shù)來過渡，這樣可以不需要使用壁面函數(shù)，能夠較好地模擬粘性底層的流動[3]。利用CAD軟件（UG）構造該噴水推進器及船體的幾何及數(shù)值計算模型，如圖1所示，船底用平板簡化代替。整個計算域采用混合網(wǎng)格，噴水推進泵采用六面體結構化網(wǎng)格（如圖2），流道采用四面體網(wǎng)格，整個計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約450萬。

圖1 “噴水推進泵+進水流道+船體”的計算域示意圖Fig.1 Calculation domain of the‘waterjet+inlet duct+hull’

圖2 噴水推進泵表面網(wǎng)格Fig.2 Surface mesh of the waterjet model

進水流道作為噴水推進泵從船底吸水的過流通道，其水動力性能優(yōu)越與否不但影響到流道內(nèi)的流動損失而且也明顯影響噴水推進系統(tǒng)對來流動能的利用以及推進系統(tǒng)的推進效率，也明顯影響船底水流進入噴水推進泵的通暢程度和出流的質(zhì)量從而明顯影響噴水推進泵的抗空化性能和振動噪聲性能[4]。本文利用數(shù)值計算后處理手段清晰地顯示了在設計工況下該噴水推進器進水流道的流動情況，如圖3所示，可以看出進水流道內(nèi)流動紊亂，出現(xiàn)大面積的流動分離和漩渦，存在較大流動損失，這將嚴重影響整個系統(tǒng)的推進效率。

圖3 流道表面和內(nèi)部流線Fig.3 Streamlines of the inlet duct

本研究同樣顯示了裝船后噴水推進泵內(nèi)三維流線（如圖4）以及第一級導葉中間截面的二維流線圖（如圖5）。可以看出,第一級導葉內(nèi)流動紊亂，存在流動分離和漩渦。雙級軸流式噴水推進泵第一級導葉的出流是第二級葉輪的進流，該軸流泵第二級葉輪是完全按照均勻無預旋來流設計的，這與實際情況不符。另外，該噴水推進泵第一級導葉整流較差既會降低第一級泵的效率，又會對第二級葉輪的進流產(chǎn)生不利影響，造成噴水推進泵總效率的降低。

圖4 噴水推進泵內(nèi)部三維流線圖Fig.4 Three-dimensional streamlines in the waterjets

圖5 第一級導葉中間截面流線圖Fig.5 Two-dimensional streamlines on the middle section of the first stator

2 新型噴水推進器的設計及性能分析

2.1 噴水推進泵的設計

鑒于原噴水推進泵和進水流道設計存在著種種缺陷，本文對該快艇噴水推進器進行了重新設計。首先對噴水推進器主要參數(shù)進行選取，確定合理的設計指標，保證“船—泵—機”三者之間達到最佳匹配。選取噴水推進器主要設計參數(shù)的基本思路是：根據(jù)艇體阻力和主機參數(shù)，與船舶推進要求相結合，運用噴水推進理論來確定待設計的噴水推進器的主要設計參數(shù)：噴水推進泵的流量Qd、揚程Hd、轉速nd、進口直徑Din、噴口直徑Dout、汽蝕余量NPSHd以及流道的出口直徑等。

（1）噴水推進泵軸面形狀及軸面網(wǎng)格

軸面流道形狀對泵過流能力、水力效率和空化性能都有重要影響[5]，本研究在參考國外優(yōu)秀水力模型的基礎上，考慮實際裝船后的尺寸約束繪制了該泵軸面形狀，如圖6所示，泵設計過程的軸面網(wǎng)格如圖7所示。

圖6 噴泵軸面形狀Fig.6 Meridional geometry of the new waterjet

圖7 葉輪和導葉數(shù)值計算網(wǎng)格Fig.7 Numerical mesh of the new waterjet pump

（2）噴水推進泵負載分布規(guī)律

運用三元不考慮粘性的反問題計算與全三維考慮粘性的正問題計算相互迭代方法對某混流式噴泵進行設計，設計過程快速、準確。三元反問題設計時把葉輪內(nèi)三維流動分解為周向平均流動和周向脈動流動，周向平均流動方程直接由三維Euler方程作周向平均導出，周向脈動流動由Clebsch變換建立起控制方程；用置于葉片中心面上的渦來代替葉片對流場的作用，而葉片形狀以滿足流動邊界條件迭代確定[6-9]。在計算出無厚度葉片中心面后，采用NACA系列翼型厚度分布規(guī)律對葉片進行加厚，最終設計得到噴水推進泵幾何如圖8所示。

2.2 噴水推進泵性能的數(shù)值計算與分析

裸泵數(shù)值計算域的大小及邊界條件設置如圖8所示，采用流量進口和總壓出口邊界條件，葉輪和輪轂設為相對靜止壁面條件，泵殼設為絕對靜止壁面條件。采用全結構化網(wǎng)格劃分對該混流式噴水推進泵在額定轉速、不同流量工況下的水力性能進行了計算,全通道網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約180萬。計算收斂后，為清楚顯示噴水推進泵內(nèi)部流動情況，利用數(shù)值計算后處理功能顯示了噴泵內(nèi)部三維的流線圖（圖9）可以看出推進泵內(nèi)部流動基本未見紊亂現(xiàn)象，噴泵導葉出口處流線基本平直，導葉整流效果較好。

圖8 新設計噴泵幾何及數(shù)值計算模型Fig.8 Geometry of the new mixed-flow pump

圖9 噴水推進泵內(nèi)部速度流線圖Fig.9 Three-dimension streamline in the new waterjet pump

圖10 揚程、功率、效率特性曲線Fig.10 Head,power,efficiency curves of the new waterjet

圖11 揚程-NPSH曲線Fig.11 Head-NPSH curve of the new waterjet

如圖10所示，所設計泵揚程和功率均滿足要求，在設計點工況下，在功率允許的范圍內(nèi)，效率達到了90.5%，并且在較大的流量范圍內(nèi)噴泵效率都在85%以上，高效區(qū)范圍較寬。為校核該泵的空化性能指標，本文采用混合流體無滑移模型（也稱為混合物均相流模型）對該泵的空化性能進行模擬，計算結果如圖11所示，在設計轉速下，計算得到該泵NPSH遠小于設計指標，滿足抗空化性能。

2.3 流道設計及流動性能分析與校驗

進水流道是船底吸入水流傳輸給噴水推進泵的通道，其性能優(yōu)劣直接影響到整個噴水推進器性能好壞。據(jù)報道，噴水推進器工作時有7%-9%軸功率損失在進水流道內(nèi)[4]，高性能進水流道設計也是噴水推進器設計關鍵內(nèi)容之一。本文根據(jù)選型得到的流道出口直徑及船體的安裝尺寸，利用參數(shù)化建模與流動性能CFD分析手段相結合進行流道優(yōu)化設計。設計得到的流道主要幾何參數(shù)和結構外形如圖12所示，并采用數(shù)值的方法對流道流動性能進行分析和檢驗，計算得到該流道內(nèi)部流線如圖13所示，從圖中可以看出該流道內(nèi)流線光滑，流動通暢。另外，采用文獻[10]提出的衡量流道出口不均勻度的公式計算了該流道的出口不均勻度，設計優(yōu)良的流道不均勻度一般小于0.2，本流道不均勻度ζ=（其中：Q表示流道的流量，V表示某一點流道出口的軸向速度，Vp流道出口軸向速度的平均值），進一步驗證了該流道流動性能優(yōu)異。

圖12 流道幾何結構Fig.12 Geometry of the new inlet duct

圖13 流道流線圖Fig.13 Streamlines of the new waterjet

2.4 改進設計噴水推進器快速性預報及實船試航

采用數(shù)值計算的方法來預報新設計噴水推進器的推進航速，圖14顯示了“新設計噴泵+進水流道+船體”的計算域和邊界條件設置。在噴泵最高轉速時，將不同航速下計算得到的噴水推進器所能提供的凈推力曲線和艇體曲線疊加，通過兩曲線的交點來預報船的航速，如圖15所示。數(shù)值預報得到新設計的混流式噴水推進器可達到的最高航速超過設計航速10.9%。為進一步驗證改進設計的噴水推進器裝船后性能，對其進行了實船試航，得到該推進器所能推進的最高航速超過設計航速9.4%，該結果說明了所設計泵的優(yōu)異性能。另外，數(shù)值預報航速和實船試航航速誤差在1.5%左右，也驗證了數(shù)值模型的準確性和數(shù)值計算方法的有效性。

圖14 “新設計噴水推進泵+進水流道+船體”的計算域Fig.14 Calculation domain of‘new waterjet+inlet duct+ hull’

圖15 新設計噴水推進器快速性預報Fig.15 The velocity prediction of the hull propelled by the new waterjet

3 結論

本文探索了數(shù)值計算分析和數(shù)值試驗方法的可行性。首先用CFD方法分析了“原軸流式噴水推進泵+進水流道+艇體”流體動力性能，找到了航速未達設計值的原因。然后采用三元的方法設計了重新選型得到的混流式噴水推進泵以及采用參數(shù)化設計方法設計進水流道，并運用計算流體力學方法分析各部件流體動力性能，接著用CFD方法分析“新混流式噴泵+進水流道+平板艇體”的流體性能并進行快速性預報。各部件性能和系統(tǒng)性能經(jīng)判斷認為滿足設計要求后，將數(shù)值設計和校核所得到的混流式噴水推進泵和進水流道直接進行產(chǎn)品生產(chǎn)，跨越了常規(guī)方法所采用的模型試驗。實船試航結果表明，數(shù)值設計和數(shù)值校核方法有效可行，所用的數(shù)值模型準確可信。本文工程案例具有方法學上的借鑒意義。

[1]Thor Peter Andersen.Design of rim driven waterjet pump for small rescue vessel[D].Gothenburg,Sweden:Chalmers University of Technology,2014.

[2]曹玉良,王永生,靳栓寶等.噴水推進器推進性能優(yōu)化研究[J].武漢理工大學學報,2015,39(1):211-214. Cao Yuliang,Wang Yongsheng,JinShuanbao,et al.Propulsive performance optimizing of a waterjet[J].Journal of Wuhan University of Technology,2015,39(1):211-214.

[3]靳栓寶,王永生等.高性能緊湊型水泵的三元設計方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(11):82-86. Jin Shuanbao,Wang Yongsheng,et al.3-D design of hign performance compact pump with CFD[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(11):82-86.

[4]丁江明,王永生.噴水推進器進水流道參數(shù)化設計與應用[J].上海交通大學學報,2010,44(10):1423-1428. Ding Jiangming,Wang Yongsheng.Parametric design and application of the marine waterjet inlet duct[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2010,44(10):1423-1428.

[5]常書平,王永生,丁江明等.混流式噴水推進泵水利設計和性能預報[J].哈爾濱工程大學學報,2011,32(6):708-713. Chang Shuping,Wang Yongsheng,Ding Jiangming,et al.Hydranlic design and performance predictions of a waterjet mixed-flow pump[J].Journal of Harbin Engineering University,2011,32(6):708-713.

[6]羅興琦.混流式水輪機轉輪的全三維反問題計算與優(yōu)化[D].北京:清華大學,1995. Luo Xingqi.Full three-dimensional inverse and optimum design of francis runner[D].Beijing:Tsinghua University,1995.

[7]彭國義.軸流式水輪機轉輪三維反問題計算與優(yōu)化[D].北京:清華大學,1996. Peng Guoyi.Three-dimensional rotational flow inverse computation and optimum design of kaplan runner[D].Beijing: Tsinghua University,1996.

[8]葉生海.混流式水輪機轉輪全三元設計[D].北京:清華大學,1992. Ye Shenghai.Three-dimensional design for francis turbine runner[D].Beijing:Tsinghua University,1992.

[9]Zangeneh M.A compressible three dimensional blade design method for radial and mixed flow turbomachinery blades[J]. Journal of Numerical Methods in Fluids,1991,13:599-624.

[10]Bulten N.Numerical analysis of a waterjet propulsion system[D].Netherlands,2006.

Remodel design of waterjet with CFD and its sea trial

JIN Shuan-bao,SHEN Yang,WANG Dong,WANG Yong-sheng,WEI Ying-san,HU Peng-fei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

A‘a(chǎn)xial-flow pump+duct+hull’system’s performance was calculated by solving RANS equations and SST turbulent model equations,and the faults of the waterjet design were showed by analyzing the fluid flow characteristic of waterjet pump.The new design parameters for waterjet were calculated based on the craft resistance curve and the main parameters of engine.Then the mixed-flow pump was redesigned by three-dimensional design method,and the duct was gained by parametric design method.The performance of the new waterjet was calculated by CFD method,which indicated that the pump and inlet duct had excellent performance,and the desired craft speed was well satisfied.Finally,the self-propulsion test of the ship with remodeled waterjet was carried out,the maximum speed of the ship exceed the design speed by 9.4%,and the calculated speed of the ship from CFD agrees well with test data with the error of 1.5%, which validates credibility of the numerical model and the design method.

ship;waterjet;inlet duct;ship speed;optimal design;numerical simulation

U664.34

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.11.003

1007-7294（2015）11-1312-06

2015-05-12

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（51309229，51307177，51409256）

靳栓寶（1983-），男，博士后，E-mail：hjgcjin@163.com；

沈洋（1983-），男，講師。