史 俊，馮學東，李光琛，張 文

(鎮(zhèn)江四洋柴油機制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

進口長度對船舶噴水推進器進水流道性能的影響

史 俊，馮學東，李光琛，張 文

(鎮(zhèn)江四洋柴油機制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

通過改變某噴水推進泵進水口的長度和進口處流道背部的曲線形狀，建立4種不同進口長度的流道模型，計算比較不同模型在不同進速比IVR條件下進水流道內部流場的流動特征。從進水流道的出流均勻性、壁面壓力分布情況和流動分離情況幾個方面分析不同進口長度在不同的工況下對噴水推進系統(tǒng)進水流道性能的影響。結果表明，適當增加進水流道的進口長度有助于改善進水流道的流動性能。

噴水推進；進水流道；進口長度；數值模擬

進水流道是噴水推進系統(tǒng)重要的組成部分。噴水推進器工作時，上游來流只有少部分通過進水流道被噴泵吸入，其余大部分通過船底向后流動。流道結構及噴泵工況的變化都會引起進水流道內部流場的變化，從而對噴泵的性能產生影響。研究發(fā)現噴水推進器工作過程中，有7%～9%的輸入功率會在進水流道內損失[1]，噴水推進裝置和船體結構之間的相互作用對推進裝置效率的影響可以高達20%，相互作用主要位于進水口附近[2]。

對噴水推進系統(tǒng)進水流道的研究主要采用數值模擬和模型試驗等方法[3-10]。最近幾年對噴水推進裝置的流道設計越來越多地采用數值模擬的方法來進行計算和分析[11-12]。在進水流道的所有幾何參數中，流道的出口直徑和高度、入口唇角和進口的長度等參數對進水流道的流體性能有著決定性的作用。擬通過調整進水流道的進口長度來對流道的設計進行優(yōu)化，利用CFD的方法對某型噴水推進泵進水流道的流場進行數值模擬，分析不同的工況條件下進水流道進口長度的改變對噴水推進泵性能的影響，為噴水推進泵的優(yōu)化設計提供依據。

1 研究對象

研究對象見圖1，進水流道的進水口采用“半橢圓+矩形”的結構，為保證進水流道的光順性，在進口與船底相交的位置進行倒圓。選取4個不同的進口長度設計方案，記為La1、La2、La3、La4，進水流道其他的參數保持不變，進口長度的改變影響進水口面積，即進口長度越大，進水管道進水口的面積就越大。各方案具體幾何規(guī)格見表1。

mm

進水流道的背部曲線與流道上部和船底光滑相切，為更好地觀察流道彎管的出流情況，縮短了流道出口水平段長度以減弱其整流作用。

2 數值方法

2.1 計算域幾何模型和網格

葉輪的進口直徑和進水流道的出流口直徑同為D=192 mm。進水流道的性能與船體結構，以及工況密切相關，在實際情況中，吸入的水流會受到船體邊界層的影響，因此在計算分析的過程中需要把進水流道進水口附近區(qū)域及部分船體納入流場的控制區(qū)域。參照文獻[4]對于流場計算區(qū)域尺度的研究及分析，將控制流場的長、寬、高分別設定為進水流道出流口直徑的20倍、10倍和8倍。見圖2。

圖2 計算域幾何模型

進水流道與船底流場控制域采用六面體結構網格進行網格劃分，在流道和軸的近壁面處以及流道與船體過渡區(qū)域流場變化較大的區(qū)域進行網格加密處理。見圖3，將進水流道進行分段加密，使控制流場的網格在密度上形成合理的過渡。整個計算流場的網格數量為110萬左右。

圖3 計算域網格劃分

2.2 控制方程和湍流模型

在定常的條件下，進水流道內流場的模擬計算采用不可壓縮的三維連續(xù)方程和RANS方程來進行求解。不可壓縮均質流體連續(xù)方程：

綜上所述，要想不斷提升航空服務人員親和力，就需要對其親和力重要性有更深層次的了解，并不斷對自我進行完善，提升基本功。此外，在航空服務工作中，工作人員的微笑服務可以提升我國航空服務人員的親和力，進而提高我國航空服務質量，促進我國航空業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展。

(1)

動量方程：

(2)

選用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型，可以精確預測流動的開始以及負壓力梯度下流體的流動分離。湍流動能k和特定耗散率ω的輸運方程如下。

(4)

式中：Γk、Γω——擴散系數；Gk、Gω——湍流產生項；Yk、Yω——湍流耗散項；Dω——橫向擴散項[11]。

2.3 邊界條件和求解計算

控制流場上游來流面設為速度入口邊界，流道的出口斷面采用零速度梯度。船體的壁面及進水流道的壁面均設定為無滑移壁面。采用有限體積離散控制方程和湍流方程，對近壁面區(qū)域的流動計算問題采用壁面函數法。動量方程、湍流動能方程和耗散率方程均采用二階迎風格式，收斂精度為10-5。

3 計算結果分析

對4種不同進口長度的進水流道在不同工況下進行流動性能計算分析。IVR表示進水流道出流斷面的平均流速與船舶的航速之比，是表征推進裝置進水流道工作情況的一個重要參數，決定了進水流道的吸流速率和流體的擴散率[13]。進水流道的流動性能將從流道出口流場的均勻性、壁面壓力分布情況和流動分離情況幾個方面進行分析。

3.1 進水流道出口流場均勻性分析

進水流道的設計目標是使出流斷面速度大小均勻，速度方向盡量保持和軸向一致。進水流道出口流場的均勻性從出口斷面的速度分布均勻性和垂直性2方面進行分析。距進水流道出口50 mm截面處的速度分布見圖4。由圖4可見，隨著進水流道進口長度的增大，其出流逐漸均勻。分析可知：增加進口長度，使得進水流道相對較長，流道的整流作用時間較長，同時增大了進水流道的入口面積，使進水流道的收縮率變化比較平緩，從而使進水流道的出流更加均勻。

圖4 速度分布云圖(IVR=1)

進水流道的出流方向與出口斷面越接近90°，則說明出流的垂直度越好，噴水推進泵對來流能量的利用率越高。出流的垂直度用出口加權平均角θ來表征，定義如下。

(5)

進水流道不同進口長度的出口截面加權平均角隨工況的變化見圖5。

圖5 加權平均角隨進口長度和IVR的變化

由圖5可見，出口截面加權平均角隨著IVR的增加而增大，這主要是由于IVR增大，進水流道平均流速減小，進水流道對管內流體的整流效果增強。增大進水流道的進口長度，可以使對應的流動角增大，流道的出流方向更垂直于出流面，有利于提高噴水推進泵的效率，但是隨著IVR的增大，加權平均角逐漸趨向于穩(wěn)定，進口長度的改變對出流性能的影響逐漸減弱。

3.2 進水流道壁面壓力分布分析與比較

噴水推進裝置內部的空化現象會導致其效率降低、噪聲及振動加劇，因此在設計的過程中應盡量避免出現空化現象。流道內壁面壓力的大小是判斷流道是否產生空化的直接依據[5]。壁面上的壓力分布采用量綱一的量壓力系數Cp來進行量化。壓力系數Cp定義為

(6)

式中：p為流道壁面上的壓力；pref為參考壓力；ρ為水的密度；Vs為船舶的航速。

低速(IVR=1)和高速(IVR=0.6)工況下進水流道上壁面壓力系數分布見圖6、7，橫坐標越大距離流道出口越遠，曲線中斷的區(qū)域是軸與流道的相交處。由圖中可以看出，進水流道出口、軸與流道相交處以及進水流道入口處為低壓區(qū)，入口處由于速度變化較大，壓力最低，易產生空化，進口長度較長的進水流道，入口處曲率變化較小，壁面壓力系數較大，抗空化性能更好。

圖6 IVR=1時進水流道上壁面壓力系數

圖7 IVR=0.6時進水流道上壁面壓力系數

2種工況下進水流道下壁面的壓力系數分布見圖8、9。從圖中可以看出，進口長度的改變對進水流道下壁面壓力系數的影響較小，隨著IVR的增大，流道壁面壓力下降，下壁面要比上壁面更容易出現空化。進水流道在低IVR的工況下，抗空化性能要比高IVR更好。

圖8 IVR=1時進水流道下壁面壓力系數變化

圖9 IVR=0.6時進水流道下壁面壓力系數變化

3.3 流動分離的比較及分析

流動分離現象對進水流道的流動性能有著嚴重的影響，以縱向中剖面上流動分離相對長度L和D對進水流道內部的流動分離現象進行定量比較和分析。其中：L為實際分離的長度；D為流道直徑。不同進口長度的流道模型在不同工況下流動分離的對比見圖10。

圖10 進水流道的流動分離隨著IVR變化

由圖10可見，幾種模型的流動分離長度均隨著IVR的增大，呈先減后增的趨勢，在低IVR工況，由于來流速度較大，因此流動分離也較為嚴重。由于進口長度大的進水流道相對較長，對流道內的流體有更好的整流作用，因此其流動分離長度也相對較小。

4 結論

1)通過CFD方法對噴水推進器進水流道的流動性能進行模擬，分析不同進口長度對進水流道性能的影響，可以為噴水推進器進水流道的設計提供參考，從而提高設計過程的效率，降低產品開發(fā)成本。

2)在IVR較小的條件下，增大進口長度對進水流道性能的提高具有較明顯的作用，隨著IVR的增大，其效果逐漸減弱，進口長度的改變對進水口唇角處的影響變小。

3)進水流道的流動分離現象隨著IVR的增大，呈先減后增的趨勢，進口長度較大的進水流道，流動分離長度較小。

[1] VERBEEK R. Recent development in waterjet design [C]. Proceedings of International Conference on Waterjet Propulsion II. Amsterdam, Netherlands, 1998.

[2] VAN TERVISGA T J C. The effect of waterjet-hull interaction on thrust and propulsion efficiency [C]. Proceedings of the First International Conference on Fast Sea Transportation Conference . Trondheim, Norway, 1991.

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Influence of the Inlet Length upon Hydrodynamics Performance for Ship’s Water Jet Propulsion

SHI Jun, FENG Xue-dong, LI Guang-chen, ZHANG Wen

(Zhenjiang Siyang Diesel Engine Manufacturing Co. Ltd, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

By changing the inlet length and the back curve of the inlet passage, 4 different models of the inlet passage were established to calculate and compare the flow performance of the different models at different inlet velocity ratio. The performance of inlet passage in different working condition and inlet length was analyzed from three evaluation index, such as outflow uniformity, wall pressure distribution and flow separation. The results showed that increasing the length of the inlet properly is benefit for improving the performance of the inlet passage.

water jet propulsion; inlet passage; inlet length; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.018

2016-04-11

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2010160)；鎮(zhèn)江市科技成果轉化項目(CZ2009002)

史俊 (1965—)，男，學士，工程師

U664.34

A

1671-7953(2016)06-0081-05

修回日期：2016-05-16

研究方向:船舶動力裝置設計

E-mail:sunshineccy@126.com