韓 偉,陳 龍

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)

韓 偉,陳 龍

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

在噴水推進(jìn)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,對(duì)單人貫流式螺旋噴水推進(jìn)裝置進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)分析,得出了推進(jìn)器在水下所受外流場(chǎng)阻力、推力、功率和推進(jìn)速度的關(guān)系。根據(jù)其內(nèi)在聯(lián)系,確定了推進(jìn)泵的泵型和工作參數(shù),并依據(jù)數(shù)據(jù)泵的工作參數(shù)對(duì)推進(jìn)泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算,預(yù)測(cè)了泵的推力與推進(jìn)速度之間的關(guān)系。結(jié)果表明該推進(jìn)泵可以很好地吻合推進(jìn)裝置的推進(jìn)特性,為該類型推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵;三維建模;推力

隨著我國(guó)對(duì)海洋開發(fā)的日益重視,水下單人推進(jìn)裝置不僅有很強(qiáng)的民用需求,而且有很高的軍用價(jià)值。但是目前世界上大部分水下單人運(yùn)載器都是袖珍潛艇式或手持螺旋槳推進(jìn)式,此類運(yùn)載器的缺點(diǎn)是操縱不夠靈活、轉(zhuǎn)向裝置功能差、螺旋槳易被水草等纏繞、水下短兵相接時(shí)易被破壞掉、體積和噪聲相對(duì)大、易被發(fā)現(xiàn)、對(duì)隱蔽潛入等活動(dòng)限制較大[1],因此開發(fā)一種可以有效克服以上缺陷的背負(fù)式水下單人推進(jìn)裝置具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[2]。而噴水推進(jìn)泵是推進(jìn)裝置的核心部件,決定了推進(jìn)器的性能。我們采用貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵作為背負(fù)式水下單人推進(jìn)裝置的核心部件,研究其設(shè)計(jì)方法。

1 推進(jìn)泵設(shè)計(jì)思路和方案

根據(jù)單人水下推進(jìn)的速度、水密度、泵進(jìn)出口壓力條件、水深、人體密度、人體積進(jìn)行幾何建模和流體動(dòng)力學(xué)模擬,計(jì)算推進(jìn)阻力和功率,然后計(jì)算推進(jìn)泵的功率、出口流速和流量、出口面積等,具體方案如圖1所示。

圖1 推進(jìn)泵設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design diagram of the propulsion pump

噴水推進(jìn)的基本原理是通過向與推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)相反的方向噴射加速后的水流,使船體受到水流的反作用力而產(chǎn)生推力,推力的大小等于流經(jīng)推進(jìn)器流道的流體在單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化率,即

其中:T為噴水推進(jìn)器產(chǎn)生的推力(N);ρ為海水的密度(kg/m3);q為流經(jīng)流道水流的流量(m3/s);vj為噴水的流速(m/s);vs為推進(jìn)器的航速(m/s);R為推進(jìn)器的行進(jìn)阻力;其中CR為阻力系數(shù);Ω為推進(jìn)器的浸濕表面積,Ω＝πDL,其中D為推進(jìn)器的直徑,L為推進(jìn)器的長(zhǎng)度。當(dāng)T≥R時(shí),推進(jìn)器在推力作用下前進(jìn)[3,5]。

因?yàn)槿吮持七M(jìn)器在水下與一般的水面上的船舶噴水推進(jìn)器阻力的計(jì)算公式、系數(shù)有些不同,故研究采取CFD模擬方式進(jìn)行阻力計(jì)算。首先對(duì)人體背著推進(jìn)器進(jìn)行浮力計(jì)算,取特種兵普遍標(biāo)準(zhǔn)身高1 750 mm,體重70 kg,推進(jìn)器全重15 kg,其計(jì)算公式為

其中:ρ1為海水密度,ρ1＝1.025×103kg/m3;ρ2為人體密度,ρ2＝1.048 7×103kg/m3;V1為推進(jìn)器的浸沒體積;V2為人體浸沒體積。

經(jīng)計(jì)算浮力＞重力,滿足沉浮條件。

2 推進(jìn)裝置推進(jìn)特性的數(shù)值預(yù)測(cè)

噴水推進(jìn)器外流場(chǎng)的流動(dòng)為復(fù)雜的粘性不可壓湍流流動(dòng),求解推進(jìn)器外部的流動(dòng)可采用目前工程上應(yīng)用最為廣泛的雷諾時(shí)均方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,即把湍流運(yùn)動(dòng)看作由兩個(gè)流動(dòng)疊加而成,一是時(shí)間平均流動(dòng),二是瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)。求解的控制方程為

其中:fi為體積力;P為作用在流體上的壓力;ρ為水密度;μ為水的分子粘性系數(shù);μt為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)[6]?？捎貌煌耐牧髂Ｊ椒忾]式(7)和式(8),如k-ε模型、SST模型等。初選取的基準(zhǔn)控制體(水體域)的尺寸是:進(jìn)水口寬、高為35倍頭部平均直徑(即35D,D為頭部平均直徑),控制體長(zhǎng)度為19倍人體身高(即19L,L為人體身高),人腳末端取10L,頭前端取8L。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分:水體域、人體。整個(gè)流場(chǎng)控制體共有1 750萬個(gè)網(wǎng)格單元。由于人體形狀很不規(guī)則,因而在生成網(wǎng)格的過程中,面網(wǎng)格采用了三角形網(wǎng)格,體網(wǎng)格采用四面體/六面體混合型網(wǎng)格單元。在劃分網(wǎng)格時(shí)使用了局部加密的方法,對(duì)于人體表面進(jìn)行加密,以便捕捉到重要的流場(chǎng)信息;對(duì)進(jìn)水口等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,便于控制總網(wǎng)格數(shù)。這樣,在網(wǎng)格模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)一定的情況下可以提高計(jì)算精度。對(duì)三維實(shí)體劃分網(wǎng)格時(shí),遵循的是先劃線、再劃面、最后劃體的順序,因此只需控制需加密區(qū)域的邊上的節(jié)點(diǎn)疏密程度即可。

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格雖然網(wǎng)格數(shù)巨大但收斂曲線幾乎無波動(dòng)可輕易收斂。選擇k-ε兩方程湍流模式標(biāo)準(zhǔn)方程,進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口邊界條件,出口設(shè)為自由出流條件,求解采用全隱式耦合算法,收斂精度為1×10－4。背負(fù)推進(jìn)器的人體水下壓力分布云圖如圖2所示。其計(jì)算公式為

圖2 背負(fù)推進(jìn)器的人體水下壓力分布云圖Fig.2 Human water pressure distribution cloud chart of bearing propeller

其中:L為關(guān)聯(lián)尺寸,對(duì)于充分發(fā)展的湍流,可取L等于水力直徑。

3 推進(jìn)泵的泵型選擇與設(shè)計(jì)

3.1 噴水推進(jìn)泵的泵型選擇

噴水推進(jìn)泵是噴水推進(jìn)裝置的核心部件,須根據(jù)人體尺寸、阻力大小、工作場(chǎng)所等來選擇或設(shè)計(jì)。噴水推進(jìn)泵要效率高、抗汽蝕性能好、流量系數(shù)和揚(yáng)程系數(shù)大,小型化,因此設(shè)計(jì)難度較大[7-10]?？紤]到推進(jìn)器工作場(chǎng)所在近海,近海中,海帶等漂浮物以及雜質(zhì)較多,易使泵發(fā)生堵塞。綜合考慮,選用貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵。貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵是將螺旋泵與混流泵融合為一體的一種新型泵,它的葉輪的前半部分為螺旋葉片,后半部分類似混流葉片。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),貫流式螺旋混流泵融合了螺旋泵和混流泵的雙重特點(diǎn),具有無堵塞性、無損性等優(yōu)點(diǎn)[11]。

3.2 噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)參數(shù)

噴水推進(jìn)的基本理論描述了原動(dòng)機(jī)、噴水推進(jìn)器和船體三者之間的平衡關(guān)系。根據(jù)人體尺寸和推進(jìn)器推進(jìn)特性的數(shù)值預(yù)測(cè),確定推進(jìn)泵的工作參數(shù)為:流量Q＝0.015 7 m3/s,揚(yáng)程H＝4.06 m,轉(zhuǎn)速n＝1 500 r/min,噴口直徑Dj＝0.1 m,比轉(zhuǎn)速ns＝240,航速、進(jìn)口速度vs＝2 m/s。

3.3 葉輪的設(shè)計(jì)

推進(jìn)器葉輪的水力設(shè)計(jì)參考螺旋離心泵、誘導(dǎo)輪及混流泵的設(shè)計(jì)方法,采用保角變換法進(jìn)行葉片繪型。軸面投影圖、木模截線和葉輪三維造型圖見圖3～圖5。葉輪主要參數(shù)如表1所列。

表1 葉輪的主要參數(shù)Table 1 The mainparameters of the impeller

圖3 葉輪的軸面投影Fig.3 Axial projection of the impeller

圖4 葉輪木模截線Fig.4 Transversal chart of wood pattern of the impeller

圖5 葉輪三維造型Fig.5 Three-dimensional model chart of the impeller

3.4 空間導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)

空間導(dǎo)葉又叫導(dǎo)流殼,起到整個(gè)壓水室的作用[12],其主要特點(diǎn)是軸向長(zhǎng)、徑向短,多用于各種井泵、潛水泵、液下泵和斜流泵(導(dǎo)流式混流泵)等。研究也在貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵中應(yīng)用到了空間導(dǎo)葉?？臻g導(dǎo)葉跟其他導(dǎo)葉類似,尤其是和流道式導(dǎo)葉更相似。根據(jù)噴水推進(jìn)器軸向入流和軸向出流的內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn),貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵中采用流道式空間導(dǎo)葉。葉片繪型采用扭曲三角形方法,導(dǎo)葉外流線出口邊向出口方向傾斜,可有限減小泵的壓力脈動(dòng),導(dǎo)葉的軸面投影、葉片木模截線圖以及導(dǎo)葉三維造型圖分別見圖6～圖8。

4 推進(jìn)泵數(shù)值模擬和外特性預(yù)測(cè)

4.1 全流道三維幾何建模、網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)該噴水推進(jìn)泵模型的幾何參數(shù)、水力設(shè)計(jì)所得的泵葉輪和導(dǎo)葉水利設(shè)計(jì)圖,在軟件Pro/Engineer平臺(tái)進(jìn)行該泵的幾何建模,將泵劃分為進(jìn)口、葉輪、導(dǎo)葉體和噴口四部分。葉輪葉片數(shù)為2,導(dǎo)葉體葉片數(shù)為3。由于既有旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),又有非旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),所以把整個(gè)計(jì)算域主要分為葉輪區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)兩個(gè)區(qū)域,兩個(gè)計(jì)算域之間的藕合采用平面混合方法。鑒于葉輪葉片表面和導(dǎo)葉葉片表面為不規(guī)則的空間曲面結(jié)構(gòu),研究采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在計(jì)算體體內(nèi)采用四面體網(wǎng)格,壁面上采用三角形網(wǎng)格,計(jì)算域整體裝配如圖9所示。

圖6 導(dǎo)葉的軸面投影Fig.6 Axis plane projection of guide vane

圖7 葉片木模截線Fig.7 Transversal chart of blade wood pattern

圖8 導(dǎo)葉三維造型圖Fig.8 Three-dimensional model chart of guide vane

圖9 計(jì)算域整體裝配Fig.9 Overall assembly drawing of calculation area

整個(gè)噴水推進(jìn)泵模擬計(jì)算體的網(wǎng)格分布為:

進(jìn)口段:網(wǎng)格數(shù)382 807;葉輪區(qū):網(wǎng)格數(shù)3 351 937;導(dǎo)葉區(qū):網(wǎng)格數(shù)2 596 173;出口段:網(wǎng)格數(shù)1 534 896。

數(shù)值計(jì)算采用商業(yè)軟件ANSYS fluent,該軟件采用基于有限元的有限體積法。湍流模型采用RNGk-ε模型,近壁區(qū)采用scalable壁面函數(shù),算法采用更為精準(zhǔn)的SIMPLEC算法,流場(chǎng)區(qū)域采用穩(wěn)態(tài)多參考系方法進(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)葉體和進(jìn)水流道流場(chǎng)采用固定坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù),避免傳統(tǒng)算法需要“假設(shè)壓力項(xiàng)—求解—修正壓力項(xiàng)”的反復(fù)迭代過程,而同時(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程。計(jì)算時(shí)對(duì)揚(yáng)程H和出口壓力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,確保解的良好收斂。邊界條件選用速度進(jìn)口和壓力出口,在固壁處采用無滑移邊界條件,設(shè)定各個(gè)速度分量及k,ε的收斂精度為10－5。

4.2 推進(jìn)功率-泵流量、推進(jìn)力-流量外特性預(yù)測(cè)

推進(jìn)泵功率、推力-流量特性曲線如圖10所示。在小流量工況下推力隨著流量的增大而緩慢增加,因?yàn)樵谛×髁抗r下推進(jìn)泵所受阻力很小而且出口速度也很小,因此根據(jù)動(dòng)量定理可得知泵所提供的推力很小。在大流量工況下,推力隨著流量的增加而迅速增大,因?yàn)榇罅髁抗r下經(jīng)過數(shù)值計(jì)算可知進(jìn)出口速度差增大導(dǎo)致泵提供的推力增大。在小流量工況下功率隨著流量的緩慢增加而逐步減小,而在大流量工況下功率隨著流量的增加而迅速減小,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速一定的條件下功率隨著扭矩的變化而變化,在大流量工況下該型泵的扭矩下降明顯。符合該型泵性能曲線變化的一般規(guī)律。

圖10 推進(jìn)泵功率、推力-流量特性曲線Fig.10 Curve of propulsion pump power and thrust-flow characteristics

4.3 推進(jìn)力與推進(jìn)阻力的校核

經(jīng)過CFD數(shù)值計(jì)算,推進(jìn)力-推進(jìn)阻力特性曲線如圖11所示,每個(gè)流量工況點(diǎn)的推力值大于其阻力值,證明該推進(jìn)泵能夠推動(dòng)整體前行,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 推進(jìn)力-推進(jìn)阻力特性曲線Fig.11 Curve of propulsion-propulsion resistance characteristic

5 結(jié)論

(1)采用速度系數(shù)設(shè)計(jì)法和參照人體實(shí)際尺寸相結(jié)合的方法確定貫流式螺旋混流泵軸面主要形狀尺寸,再運(yùn)用必要的輔助參數(shù),綜合確定出最終軸面投影圖。該方法靈活易調(diào)整、設(shè)計(jì)效果好。

(2)采用CFD方法計(jì)算,從計(jì)算結(jié)果的后處理軟件中,能直觀地觀察到各種參數(shù)的分布,還能夠自定義監(jiān)控參數(shù),避免了模型試驗(yàn)后的大量數(shù)據(jù)的處理。

(3)在此原型機(jī)基礎(chǔ)上可以通過三維矢量控制方法使其優(yōu)化升級(jí),進(jìn)一步提高其運(yùn)動(dòng)性能,更好地適用于實(shí)戰(zhàn)。

[1] 鐘宏偉,韓雪,周輝.一種用于蛙人或有效載荷的水下新型運(yùn)載器[J].艦船科學(xué)技術(shù),2013,35(6):47-51.

[2] Robert Verbeek,Norbert Bulten.噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展[J].船用設(shè)備,2003,25(16):22-27.

[3] 胡健,黃勝,馬騁,等.影響噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能的若干因素[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(1):11-16.

[4] 李曉暉,朱玉泉,聶松林.噴水推進(jìn)器的發(fā)展研究綜述[J].液壓與氣動(dòng),2007,31(7):1-4.

[5] 常書平,王永生,丁江明,等.混流式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(6):708-713.

[6] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[7] John Allison.Marine Waterjet Propulsion[J].SNAME Transactions,1993,101:275-335.

[8] Hornsby C.CFD Driving Pump Design for Ward Worldpumps [J].World Pumps,2002,(413):18-22.

[9] Thomas W.Diver Propulsion Vechiles[J].Naval Force Journal,2012(3):27-31.

[10] Shahram Derakhshan,Ahmad Nourbakhsh.Ecperimental-Study of Chatacteristic Curves of Centrifugal Pumps Working as Turbines in Different Specific Speeds[J].Ecperimental Thermal and Fluid Science,2008,32(4):800-807.

[11] 李仁年,李兵,韓偉.螺旋離心泵工作特性理論分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,35(6):51-53.

[12] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:宇航出版社,1995.

The Design of Tubular Water-jet Axial Flow Pump

Han Wei,Chen Long
(College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)

Based on the water jet propulsion dynamics,this paper makes fluid dynamic analysis of the single tubular screw water jet propulsion unit,and gets the relationship of external flow field resistance,thrust, power and advance speed of thruster under the water.And then,according to the intrinsic relationship to determine the pump type and working parameters,and make designing and optimization on the basis of the parameters.It predicts the relationship between the thrust and advance speed of pump through the value calculation of pump internal flow field,showing that the pump can well cooperate with the advance characteristics of the propulsion plant,which can provide reference of the design and optimization of this kind of propulsion plant.

Tubular water-jet axial flow pump;Three-dimensional modeling;Thrust

TH31

:A

:1004-0366(2016)05-0046-05

2015-05-06;

:2015-06-25.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51209113).

韓偉(1977-),男,安徽碭山人,博士,副教授,研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程多相流.E-mail:hanwei＠lut.cn.

Han Wei,Chen Long.The Design of Tubular Water-jet Axial Flow Pump[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):46-50.[韓偉,陳龍.貫流式螺旋噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(5):46-50.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.012.