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(大連海事大學船舶與海洋工程學院， 遼寧大連 116026)

引言

近些年來，由于海洋工程行業(yè)發(fā)展迅速，ROV因其操作方便、安全、高效等優(yōu)點，越來越廣泛地應用在水下結構物安裝檢測、海底調查、打撈作業(yè)等多個領域[1]。而噴嘴自身具有結構簡單、噪聲低、易于矢量調節(jié)、清潔環(huán)保等特點，適合用作ROV的推進器[2-3]。

反推力的大小是衡量推進性能的重要指標，反推力是高壓水的壓力和黏性阻力作用在高壓腔和噴嘴上的綜合效果[4]。以往，在計算反推力時，都采用動量定理或高壓腔內外表面壓力分布來對射流反推力進行理論分析與計算[5]。隨著計算流體力學(CFD)的不斷發(fā)展，人們已能對許多射流情況進行數(shù)值模擬，通過射流過程的仿真計算來優(yōu)化噴嘴的結構設計。

近年來，楊友勝等一直致力于噴水推進的仿真和試驗，對正排水泵噴水推進噴嘴優(yōu)化，得出指數(shù)形優(yōu)化噴嘴有較好的推進性能和空泡性能，為本研究提供了重要參考。本研究將對幾種不同形狀的噴嘴的反推力進行理論分析和仿真計算，從而得到噴嘴的最佳形狀和結構參數(shù)。而在噴水反推力測量方面，楊友勝等[6]設計了一種中高壓水射流反推力測試裝置，然而，淹沒式噴嘴反推力的特性研究還開展得不夠。為了使噴水推進得到更廣泛的應用，本研究介紹了淹沒式噴嘴反推力測量及其系柱試驗裝置，該裝置滿足淹沒式噴嘴實際工況，為噴水推進系統(tǒng)提供了良好的試驗條件。

1 噴嘴反推力仿真計算

1.1 物理模型

噴嘴反推力通常使用基本動量定理來計算，可以表達為：

F=ρ·q·v=ρ·A·v2

(1)

式中，F(xiàn)—— 反推力

ρ—— 液體的密度

q—— 液體的流量

A—— 噴嘴出口的截面積

v—— 通過噴嘴出口的平均流速

反推力的方向與液體射流方向相反[7]。

很顯然，該公式與實際情況不符，液體在流過噴嘴內部時，液體密度等會發(fā)生變化。為了提高計算噴嘴反推力大小的準確性，通過使用CFD對噴水反推力研究是非常必要的。以錐形噴嘴為例，簡化模型如圖1所示，該模型由1個高壓腔和1個噴嘴組成。高壓水通過入口進入高壓腔，然后從噴嘴出口噴出。

圖1 錐形噴嘴簡化模型

為了簡化計算，需做幾點假設：

(1) 高壓腔為軸對稱，水為理想流體，穩(wěn)定，不可壓縮；

(2) 高壓腔處于未改變的環(huán)境中，并且在水流方向上沒有運動；

(3) 流體重量和剪切力對反作用力的影響可以忽略不計[8]。

1.2 劃分網格和邊界條件

為了更加符合真實情況，本研究建立三維立體噴嘴模型。在GAMBIT中劃分噴嘴網格，邊界條件設為壓力入口、壓力出口和壁面，并且壁面被認為是隔熱的，壁面和流體之間沒有熱交換。將劃分好的網格導入Fluent軟件中，在入口邊界處：總壓力pin為8 MPa，初始壓力pini為8 MPa。本研究噴嘴為淹沒式，水深為10 m，所以出口邊界：總壓力pout為0.1 MPa，操作壓力為標準大氣壓pa為0.101325 MPa。由于雷諾數(shù)較大和水飽和蒸氣壓較高，所以RNGk-ε湍流模型和多相流(水和水蒸汽)與壁面功能結合使用。工作介質為ρ為998.2 kg/m3的自來水，水的黏度μ為1.003×10-3Pa·s，水蒸氣的ρv為0.02558 kg/m3，μv為1.26×10-6Pa·s，并假定密度和黏度與溫度無關。通過Fluent后處理文件，計算出噴嘴反推力。

2 試驗

2.1 試驗裝置

根據(jù)螺旋槳系柱推力試驗方法，提出并設計了一種噴嘴反推力測試裝置，如圖2所示。試驗動力源由直流電機驅動的岸基Danfoss高壓海水泵APP 8.2供給，通過液壓管路供給到噴嘴，從噴嘴噴出到深水中。通過控制直流電機的轉速從而控制入口流量，溢流閥調節(jié)噴嘴入口壓力從0～8 MPa，水溫度控制在20 ℃左右，入口壓力和溫度均由泵源上的壓力傳感器和溫度傳感器測得。系柱裝置將測試噴嘴固定在ROV浮體框架上，拉繩經過2個固定在水池岸邊壁架上的定滑輪導向，并與拉力傳感器連接并固定，則拉力傳感器測得的力經過摩擦力修正后就是噴嘴反推力。

圖2 系柱測量噴嘴反推力原理示意圖和試驗現(xiàn)場圖

試驗中噴嘴測試樣本分為4種類型，第一類樣本為不同的錐角，包括1#，2#，3#和4#噴嘴；第二類樣本為不同的出口直徑，包括2#，5#和6#噴嘴；第三類樣本為不同的入口直徑，包括7#，8#和9#噴嘴；第四類樣本為不同的形狀，包括1#，9#，10#和11#噴嘴。具體尺寸如表1所示。

表1 測試噴嘴樣本尺寸

2.2 試驗結果與分析

探究噴嘴反推力在入口壓力一定的情況下，噴嘴的各種參數(shù)對反推力大小的影響，對單個噴嘴分別進行了仿真和試驗，結果如圖3～圖6所示。圖3和圖4是壓力在0～8 MPa時，噴嘴水射流反推力與噴嘴錐角和噴嘴出口直徑的關系。仿真和試驗結果如圖所示，反推力都隨著錐角的增大而減小，這是因為隨著錐角的增大，高壓水流在錐角處的局部壓力損失也就越大,從而導致水射流動能減小，即出口射流速度減小, 所以反推力減小。在入口壓力相同、泵所提供的流量充足的情況下，隨著出口直徑的增加，反推力也隨之增大。這是因為在一定出口直徑范圍內，壓力所導致的噴嘴出口速度變化影響沒有出口面積影響大，但必須考慮流量問題。所以噴嘴出口直徑應在流量允許情況下盡量取較大值,且錐角越小越好。然而無限制地減小錐角將導致噴嘴長度無限制增加，相應的造價也會提高很多。

圖3 錐角與反推力的關系

圖4 出口直徑與反推力的關系

圖5 入口直徑與反推力的關系

圖6 形狀與反推力的關系

圖5和圖6是壓力在0～8 MPa時，噴嘴水射流反推力與噴嘴入口直徑和噴嘴形狀的關系。仿真和試驗表明，在入口壓力一定時，反推力會隨著入口直徑的增大有增大的趨勢，但是增大的數(shù)值并不大，這是因為噴嘴出口速度主要由出口直徑影響，入口直徑的變化在一定范圍內造成的沿程壓力損失和局部壓力損失并不大。而在形狀對噴嘴反推力影響方面，總體上內凹圓弧形噴嘴和cos函數(shù)形噴嘴在反推力數(shù)值大小差異上并不大，在高壓時內凹圓弧形噴嘴推力較高，但是與錐形和圓柱形噴嘴反推力相比都有較大的提升，說明噴嘴形狀變化越平緩造成的局部壓力損失越小，噴嘴出口速度越大，反推力就越大。所以想提高噴嘴反推力，應優(yōu)先考慮其內部形狀變化，越平緩越好，而增加噴嘴入口直徑對增大反推力效果并不明顯。

3 結論

在前人的理論研究的基礎上，本研究主要對幾種不同形狀和參數(shù)的噴嘴反推力進行仿真，并用系柱試驗裝置進行試驗。根據(jù)仿真和試驗結果，在噴嘴入口壓力一定時，得出以下幾條結論：

(1) 入口直徑一定時，在滿足條件的情況下，減小錐角和增大噴嘴出口直徑都可以增大噴嘴反推力；

(2) 出口直徑一定時，入口直徑的增加對反推力提升效果不明顯；

(3) 在錐形、圓柱形、內凹圓弧形、cos函數(shù)形4種噴嘴中，內凹圓弧形和cos函數(shù)形狀變化緩和， 有較高的反推力；

(4) 仿真結果和試驗結果有著良好的吻合性，采用的噴嘴三維建模方法是準確可靠的。該試驗裝置是可行的，可以為水淹沒條件下研究噴水推進提供良好的試驗條件。