彭云龍，王永生，曹玉良，靳栓寶，劉承江，易文彬

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

實(shí)尺度浸沒式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)參數(shù)選擇與性能分析

彭云龍，王永生，曹玉良，靳栓寶，劉承江，易文彬

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

為設(shè)計(jì)某浸沒式噴水推進(jìn)泵，以某小型軸流式噴水推進(jìn)泵為對(duì)象建立浸沒式噴射模型，采用CFD方法模擬分析浸沒噴射對(duì)噴泵水力性能的影響。研究表明，浸沒式噴射對(duì)噴泵水力性能的影響變化不大。根據(jù)噴水推進(jìn)和船體邊界層基本理論，考慮噴泵工作環(huán)境不同時(shí)的水力特性變化，基于Matlab/simulink仿真平臺(tái)建立浸沒式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)參數(shù)選型程序，實(shí)現(xiàn)快速高效地得到噴泵基本設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)選型結(jié)果運(yùn)用三元理論設(shè)計(jì)出所需噴泵，運(yùn)用CFD方法獲取浸沒式噴泵的敞水水力性能，并安裝到實(shí)尺度船上預(yù)報(bào)推進(jìn)性能，結(jié)果表明浸沒式推進(jìn)系統(tǒng)具有較高的推進(jìn)效率、滿足快速性要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)選型程序的適用性。

浸沒式；噴水推進(jìn)；噴泵；選型；設(shè)計(jì)

0 引 言

關(guān)于浸沒式噴水推進(jìn)國(guó)外早在上世紀(jì)九十年代就開始了相關(guān)研究，1994年德國(guó)JAFO公司在BMBF資助下研制了名為“線性噴泵（Liner-Jet）”的浸沒式噴水推進(jìn)器來作為平底高速船舶的推進(jìn)系統(tǒng)，并在德國(guó)波茨坦造船試驗(yàn)研究所進(jìn)行了試驗(yàn)，后續(xù)經(jīng)優(yōu)化后推進(jìn)效率達(dá)到70%[1]。2005年Rolls-Royce公司研制的完全水下噴射的Advance Waterjet21（AWJ-21TM）噴水推進(jìn)器進(jìn)行了模型試驗(yàn)，并在美國(guó)先進(jìn)電力演示艦上進(jìn)行了評(píng)估，其研究表明浸沒式噴水推進(jìn)器可進(jìn)一步提高推進(jìn)效率和降低推進(jìn)器噪聲[2-4]。德國(guó)的Voith公司近年正在研發(fā)新型水下噴射大功率噴水推進(jìn)器，主要用于航速在25-40節(jié)之間的船舶，具有推進(jìn)效率高、高航速區(qū)域?qū)?、振?dòng)噪聲性能好等優(yōu)點(diǎn)[5]。

本文研究分析浸沒式噴水推進(jìn)器水下噴射的工作特點(diǎn)，并借助噴水推進(jìn)基本理論和船體邊界層基礎(chǔ)理論等基于Matlab/simulink仿真建模平臺(tái)建立了一套浸沒式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)參數(shù)選型程序。此程序通過各相關(guān)參數(shù)之間的迭代運(yùn)算可以快速得出一組滿足一定設(shè)計(jì)要求的噴水推進(jìn)泵基本設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)選型參數(shù)，利用三元理論設(shè)計(jì)了一型浸沒式噴水推進(jìn)泵，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）進(jìn)行裸泵水力性能（敞水性能）和“船體+流道+噴泵”推進(jìn)性能分析，結(jié)果表明設(shè)計(jì)浸沒式噴泵滿足船舶快速性要求，同時(shí)校核了選型程序的適用性。

1 某噴水推進(jìn)泵水力性能分析

以國(guó)外某噴水推進(jìn)混流泵為對(duì)象進(jìn)行水力性能分析，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可信性。該泵進(jìn)口直徑710 mm，葉輪6片，導(dǎo)葉11片。葉輪單通道網(wǎng)格數(shù)20萬，導(dǎo)葉單通道網(wǎng)格數(shù)10萬，泵內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格總數(shù)約300萬，均為六面體網(wǎng)格，葉輪扭曲度較大、采用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉采用H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，葉片周圍采用O型網(wǎng)格，葉頂間隙用獨(dú)立的H型網(wǎng)格嵌入到周圍的O型網(wǎng)格之中[6]。

基于Ansys CFX 12.0軟件，采用工程上應(yīng)用廣泛的雷諾時(shí)均法，選取SST湍流模型來封閉控制方程，利用隱式耦合求解技術(shù)同時(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程，來對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。SST模型結(jié)合了兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面區(qū)域調(diào)用κ-ε模型模擬，收斂性好，而在湍流充分發(fā)展區(qū)域調(diào)用κω模型模擬，計(jì)算效率高[7]。動(dòng)靜交界面的數(shù)據(jù)交換利用MFR[8]方法處理，Y+保持在185以下。邊界條件為總壓進(jìn)口，靜壓出口。該泵幾何以及葉輪、導(dǎo)葉的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 噴水推進(jìn)泵的幾何和網(wǎng)格Fig.1 Geometry and mesh of a waterjet pump

用CFD計(jì)算預(yù)報(bào)不同轉(zhuǎn)速下該混流泵軸功率值，與廠家提供的實(shí)測(cè)值比較差別均在1%以內(nèi)，如表1所示，這間接證明了本文所用數(shù)值方法的可信性。

表1 混流泵功率的CFD計(jì)算值與廠家提供值對(duì)比Tab.1 Difference of power between CFD and company data

2 浸沒式噴水推進(jìn)泵選型程序搭建

2.1 浸沒式與艉板式噴水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)差異

浸沒式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇既依賴于工作環(huán)境，同時(shí)也受到噴水推進(jìn)器其它部件的作用和影響，所以要研究浸沒式噴泵的工作特性首先要明確浸沒式與艉板式噴水推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境上的不同。

傳統(tǒng)尾板式噴水推進(jìn)器水流是由安裝在艉板上的噴口噴出，而浸沒式是完全水下噴射，噴泵是以較大深度浸沒于水線以下的，這是兩者結(jié)構(gòu)上的最大不同，見圖2。浸沒式噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由進(jìn)水流道、噴水推進(jìn)泵、噴口和轉(zhuǎn)向倒車機(jī)構(gòu)四部分組成。尾板式噴水推進(jìn)器的流道是單獨(dú)設(shè)計(jì)，安裝在船體內(nèi)部，船底邊界層在進(jìn)入噴泵葉輪之前會(huì)經(jīng)過進(jìn)水流道的整流。而浸沒式噴水推進(jìn)器的流道與船底槽道是結(jié)合為一體的，這使得噴泵可以充分利用船底邊界層，同時(shí)也對(duì)船體尾部型線優(yōu)化和槽道的設(shè)計(jì)提出了更高要求。噴泵、噴口及轉(zhuǎn)向倒車機(jī)構(gòu)布置在船底吊艙內(nèi)，結(jié)構(gòu)更緊湊。吊艙、流道和船體集成在一起，進(jìn)水流道以進(jìn)流能量損失最小、進(jìn)流更均勻來構(gòu)型，吊艙以整體阻力最小來構(gòu)型，以達(dá)到浸沒式噴水推進(jìn)器大功率、高航速的設(shè)計(jì)要求。

圖2 艉板式和浸沒式噴水推進(jìn)器示意圖Fig.2 Comparison between stern and submerged waterjet

圖3 浸沒式噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Components of submerged waterjet propulsion

與常規(guī)艉板式噴水推進(jìn)器相比，浸沒式的吊艙結(jié)構(gòu)大大減少了推進(jìn)器整體濕重重量，節(jié)省了船體內(nèi)部占用空間。性能上浸沒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了進(jìn)水口的進(jìn)流壓頭，有效降低了進(jìn)水流道唇部等部位空化的風(fēng)險(xiǎn)，也改善了泵的空化性能，同時(shí)避免流道內(nèi)因位置提高和流向改變而造成的流動(dòng)損失。水下噴射縮短了船舶水面尾跡；吊艙外殼對(duì)噴口水下射流噪聲有一定的屏蔽作用；推進(jìn)器外形與船體整體設(shè)計(jì)使得軸系更短，減小了軸系在沖擊負(fù)載下的振動(dòng)；這些都使浸沒式噴水推進(jìn)器比艉板式的水下輻射噪聲更低。

2.2 浸沒式噴射對(duì)噴泵水力性能的影響

以某小型噴水推進(jìn)軸流泵為對(duì)象，研究浸沒式噴射對(duì)噴泵水力性能的影響。噴泵葉輪進(jìn)口直徑155.5 mm，噴口直徑87 mm，比轉(zhuǎn)速684，設(shè)計(jì)流量200 kg/s，葉輪3片，導(dǎo)葉5片，噴泵幾何見圖4。

在上述幾何的基礎(chǔ)上，采用六面體網(wǎng)格分別對(duì)葉輪、導(dǎo)葉、噴口進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時(shí)平衡數(shù)值模擬精度和計(jì)算速度之間的關(guān)系，考慮到網(wǎng)格無關(guān)性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)葉輪單通道節(jié)點(diǎn)數(shù)10萬，導(dǎo)葉單通道節(jié)點(diǎn)數(shù)7萬[9]。葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，葉輪葉片和輪轂設(shè)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、噴口及進(jìn)口直管為靜止區(qū)域。裸泵計(jì)算域見圖5。

圖4 某小型軸流泵幾何與網(wǎng)格Fig.4 Geometry of axial waterjet pump

圖5 水上裸泵性能計(jì)算域Fig.5 Control domain of pump

浸沒在水下的裸泵計(jì)算方法與螺旋槳敞水特性方法類似，將噴泵完全置于充滿水的控制域中，見圖6（a）。泵前長(zhǎng)度1.5 m，泵體后長(zhǎng)度3.5 m，控制域垂直深度2 m，泵軸線距水面高度1 m，以此來排除控制域壁面和水面對(duì)泵水力性能的影響。將噴泵置于水下時(shí)考慮到噴泵內(nèi)外均有流場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)泵外殼進(jìn)行了加厚處理，見圖6（b）。湍流模型也選用SST模型，整個(gè)計(jì)算模型加載隨深度而產(chǎn)生的壓力變化及重力影響。

圖6 噴泵完全浸沒在水中Fig.6 Pump submerged in water

本文以流量Q、揚(yáng)程H、功率P和效率η等主要水力參數(shù)指標(biāo)來表征噴泵的水力性能，其中流量Q為單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)噴泵流體的質(zhì)量流量；揚(yáng)程H為噴泵噴口與進(jìn)口流面流體總壓之差；力矩N為噴泵內(nèi)所有旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的力矩；功率P為葉輪、輪轂等旋轉(zhuǎn)部件消耗軸功率：

式中：N為力矩（N·M），n為噴泵轉(zhuǎn)速（rev/min）；效率η為噴泵吸收軸功率對(duì)流體做功使其獲得能量增加值占軸功率的比例，效率越高表明噴泵做功過程中的水力損失越少：

式中：Q為質(zhì)量流量（kg/s），g為重力加速度，H為揚(yáng)程（m），P為軸功率（kW）。

利用水上水下兩種模型模擬了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不同流量下的水力性能，圖7為空氣中噴射與浸沒式噴射時(shí)噴泵效率對(duì)比，從圖中可以看出，浸沒式噴射時(shí)噴泵效率略高于空氣中噴射。圖8為空氣中噴射與浸沒式噴射噴泵軸功率對(duì)比圖，浸沒式噴射軸功率偏小，但相差幅度不是很大。計(jì)算結(jié)果表明在相同轉(zhuǎn)速下，無論是功率還是效率，浸沒式噴射時(shí)的變化趨勢(shì)都與空氣中噴射時(shí)的變化趨勢(shì)相同。初步認(rèn)為這主要是由于泵在水下工作時(shí)周圍流體產(chǎn)生的背壓場(chǎng)是對(duì)泵整個(gè)工作場(chǎng)作用的，進(jìn)流與噴射壓力作用相互抵消，所以噴泵水下和空氣中的工作特性沒有出現(xiàn)較大差異。

圖7 噴泵效率對(duì)比圖Fig.7 Difference of efficiency

圖8 噴泵軸功率對(duì)比圖Fig.8 Difference of power

2.3 浸沒式噴水推進(jìn)泵選型程序化實(shí)現(xiàn)

浸沒式噴泵設(shè)計(jì)首要工作是選擇噴泵設(shè)計(jì)指標(biāo)即噴泵選型，選型程序的目的即是實(shí)現(xiàn)此功能。

噴泵與船體是相互影響的，所以合理的“船—泵”匹配關(guān)系才能充分發(fā)揮推進(jìn)器的效用。對(duì)噴泵進(jìn)行選型我們首先要獲得船體的一些相關(guān)數(shù)據(jù)如船體阻力、邊界層特征、主機(jī)功率、額定轉(zhuǎn)速，齒輪箱減速比等，然后根據(jù)噴水推進(jìn)基本理論和泵設(shè)計(jì)知識(shí)通過循環(huán)迭代計(jì)算得到泵的設(shè)計(jì)基本參數(shù)和條件限制，包括泵揚(yáng)程、設(shè)計(jì)流量、汽蝕比轉(zhuǎn)速、泵比轉(zhuǎn)速和噴口直徑等。選型思路流程見圖9。

船體對(duì)噴泵的影響具體講需要考慮船體邊界層和進(jìn)水流道對(duì)噴泵的影響。因?yàn)榇w邊界層內(nèi)流速是小于邊界層外流速的，而流道進(jìn)流面全部或部分處于船底邊界層內(nèi)，所以合理地確定噴泵工作流量必須要考慮船體和流道的影響。

根據(jù)上述選型程序設(shè)計(jì)思路，結(jié)合浸沒式與艉板式噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)上和噴射環(huán)境上的差異，利用Matlab搭建仿真模塊實(shí)現(xiàn)程序化，見圖10。選型目標(biāo)參數(shù)見表2。

圖9 浸沒式噴泵選型流程圖Fig.9 Flow chart of submerged waterjet pump parameters selection

圖10 浸沒式噴水推進(jìn)泵選型程序Fig.10 Simulation model for calculating main design parameters of submerged waterjet

表2 選型結(jié)果部分參數(shù)Tab.2 Some design parameters of submerged waterjet pump selection

表2中推進(jìn)效率定義為

式中：R為裸船阻力，VS為船舶航速，P為噴泵消耗功率；汽蝕比轉(zhuǎn)速為標(biāo)志泵抗空化性能的無因次指標(biāo)。

3 浸沒式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)與船后泵性能分析

3.1 浸沒式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)

根據(jù)以上選型程序得到泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，基于泵的三元設(shè)計(jì)理論進(jìn)行水力設(shè)計(jì)[7，10]。浸沒式軸流噴水推進(jìn)泵進(jìn)口直徑2 m，軸向長(zhǎng)度3 m，葉輪6葉片，導(dǎo)葉11葉片。采用SST湍流模型，六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總量為300萬，壁面Y+值小于185，滿足湍流模型對(duì)壁面流動(dòng)的模擬要求。噴泵葉輪及導(dǎo)葉網(wǎng)格如圖11所示。

利用有限元計(jì)算軟件Ansys CFX 12.0，計(jì)算得到均勻進(jìn)流時(shí)該泵水流性能（簡(jiǎn)稱為敞水泵水力性能）曲線如圖12。噴泵最高效率點(diǎn)達(dá)到92%，且葉輪葉片表面壓力處導(dǎo)邊處外大部分都低于空化壓力，即沒有大面積空化發(fā)生，見圖13，且水下工作背壓增大更有利于空化性能的改善。

圖11 浸沒式噴泵網(wǎng)格Fig.11 Mesh of the submerged waterjet pump

圖12 浸沒式噴泵水力性能Fig.12 Hydrodynamic performance of submerged waterjet pump

3.2 實(shí)尺度船后泵性能預(yù)報(bào)

得到裸泵性能后，將浸沒式噴泵安裝到120 m實(shí)尺度船數(shù)值模型上計(jì)算航速30節(jié)下船體的阻力、噴泵推力和軸功率，對(duì)“船+流道+泵”的推進(jìn)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。整個(gè)計(jì)算域長(zhǎng)度為5倍船長(zhǎng)，船頭前部1倍船長(zhǎng)，船艉后3倍船長(zhǎng)，計(jì)算域?qū)挾葹?.5倍船長(zhǎng)（圖14）。采用VOF的方法來追蹤自由液面，湍流模型選用SST模型，對(duì)流項(xiàng)離散選用二階離散格式。采用四面體和六面體網(wǎng)格劃分結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，船體周圍局部小區(qū)域用四面體網(wǎng)格劃分，外部區(qū)域用六面體網(wǎng)格劃分，整體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格量總數(shù)為2.2千萬。船體網(wǎng)格如圖15所示。由于兩臺(tái)浸沒式噴水推進(jìn)器布置相對(duì)船體中心面對(duì)稱，為減小計(jì)算時(shí)間，計(jì)算時(shí)只對(duì)一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。

圖13 浸沒式噴泵空化驗(yàn)證Fig.13 Cavitation validation of submerged pump

圖14 “船+泵+流道”計(jì)算控制域Fig.14 Whole computational domain of‘ship+pump+inlet’

圖15 船體網(wǎng)格Fig.15 Mesh of ship

裝船后計(jì)算結(jié)果見表3，噴泵流量略微偏離設(shè)計(jì)流量，效率91%，船體推進(jìn)效率為65%，這說明按選型方法設(shè)計(jì)出的噴泵是滿足工程實(shí)際需要的，選型程序具有較強(qiáng)的適用性。圖16為船體30節(jié)航行周圍興波，由圖17可以看出葉輪導(dǎo)葉匹配良好，泵內(nèi)部流動(dòng)順暢無渦流損失。

表3 “實(shí)船+流道+噴泵”計(jì)算結(jié)果Tab.3 Result of whole propulsion system simulation

圖16 船體興波Fig.16 Wavemaking of ship

圖17 流經(jīng)噴泵的整船流線Fig.17 Streamline through submerged pumps

表4是安裝于船艉的浸沒式噴水推進(jìn)泵（簡(jiǎn)稱船后泵）與敞水泵性能對(duì)比，受船體對(duì)噴水推進(jìn)器的作用影響[11]，可以看出船后泵的軸功率、揚(yáng)程略有增大，效率有所降低，但差別不超過3%。噴泵裝船后，由于船底邊界層的影響進(jìn)流不均勻度增加，因此軸功率增加效率降低。

表4 浸沒式噴泵裝船后水力性能變化Tab.4 Comparison bewteen pump and after ship pump

4 結(jié) 論

（1）分析浸沒式噴水推進(jìn)與艉板式噴水推進(jìn)在結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境上的差別。采用CFD方法分析了浸沒式噴射對(duì)噴水推進(jìn)泵水力性能的影響。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下與常規(guī)噴射相比，浸沒式噴射的噴水推進(jìn)軸功率和效率的變化都很小。

（2）借助MATLAB/simulink仿真平臺(tái)搭建浸沒式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)參數(shù)選型程序，利用該程序可快速高效得到滿足一定條件要求的浸沒式噴泵設(shè)計(jì)參數(shù)，也可研究單一參數(shù)對(duì)泵選型結(jié)果的影響，有利于實(shí)現(xiàn)浸沒式噴水推進(jìn)泵的系列化選型設(shè)計(jì)。借助某船型為例，按選型結(jié)果設(shè)計(jì)浸沒式噴水推進(jìn)泵，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)尺度“船+流道+噴泵”的數(shù)值模擬，推進(jìn)效率達(dá)到65%，驗(yàn)證了選型程序的適用性。

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Full scale submerged waterjet pump parameters selection and numerical evaluation of propulsive performance

PENG Yun-long,WANG Yong-sheng,CAO Yu-liang, JIN Shuan-bao,LIU Cheng-jiang,YI Wen-bin
(College of Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

To design submerged waterjet pump,a submerged jet model of axial waterjet pump was established to analyze the difference between above water and under water using CFD method.Study shows that the change of hydraulic property is tiny.Based on theory of waterjet and ship boundary layers,considering pump’s working circumstance,a program was developed to choose main parameters of submerged pump by Matlab/simulink,which provided reference to pump designer.A submerged pump was designed by threedimension theroy according to the result of the program.The results show that the pump has good propulsive performance,and the program fits engineering requirement.

submerged;waterjet;pump;selection;design

U664.33

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.08.003

1007-7294（2016）08-0947-07

2016-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（51209212，51309229）；國(guó)防科技“十二五”預(yù)研

彭云龍（1989-），男，博士研究生，E-mail:flydragonboys@163.com；王永生（1955-），男，教授，博士生導(dǎo)師。