李 忠，周春萍，李 猛，周俊杰，江啟峰

（1.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學），成都 610039）

0 引言

為滿足大流量冷卻水供給要求，現(xiàn)代艦船冷卻水系統(tǒng)中通常采用軸流式冷卻循環(huán)泵（以下簡稱為循環(huán)泵）。當艦船處于低航速狀況下，循環(huán)泵運行于常規(guī)工況，但當艦船航速滿足一定要求時，循環(huán)泵運行于自流工況，即正向飛逸工況，此時泵的運行特點為正流量、正轉(zhuǎn)、負揚程［1］。循環(huán)泵在自流工況下處于低速從動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，必然產(chǎn)生有別于常規(guī)的內(nèi)流特征和壓力脈動特性。對該特殊工況下泵內(nèi)非定常流動特性的研究是揭示非常規(guī)工況下軸流泵內(nèi)流機理、提升艦船動力系統(tǒng)安全性的重要前提。

鑒于自流工況較為特殊，目前相關(guān)的研究報道較少，而且主要集中于泵的自流性能和協(xié)配關(guān)系［2-4］，尚未見涉及自流工況下泵內(nèi)非定常流動特性的研究成果。為獲得泵內(nèi)復雜流動的細節(jié)特征，國內(nèi)外學者普遍采用數(shù)值計算方法開展此類研究。馮俊等［5］利用S-A湍流模型對軸流泵進行數(shù)值模擬，得到了葉片上壓力分布與流量之間的關(guān)系，并分析了導葉存在對流道內(nèi)流態(tài)的影響。鄭源等［6-7］運用SSTk-ω湍流模型計算分析了軸流泵設計工況以及失速工況下泵內(nèi)典型流動結(jié)構(gòu)和壓力脈動特性，揭示了失速工況下低頻壓力脈動的產(chǎn)生機理。Li等［8］采用SSTk-ω湍流模型對軸流泵進行數(shù)值計算，通過分析葉輪區(qū)域中的速度場和壓力場分布，得到了速度場和壓力場中的典型特征。Benra等［9-10］對運行于不同工況下的軸流泵進行數(shù)值計算，分析了其內(nèi)部流場并將計算所得的葉輪葉片流線結(jié)果與Kosyna等的試驗結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算方法可較好捕捉軸流泵失速流動區(qū)域中的流動狀態(tài)。

本文對某型循環(huán)泵在額定流量常規(guī)工況和自流工況下的內(nèi)流進行數(shù)值計算和對比分析，以揭示自流工況下的主要內(nèi)流特征，初步獲取自流工況下導葉內(nèi)壓力脈動和典型渦結(jié)構(gòu)演變特征，為循環(huán)泵裝備性能的提升提供了有益的借鑒。

1 循環(huán)泵計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 計算模型

本文研究對象為比轉(zhuǎn)速為472的某艦船用低比轉(zhuǎn)速軸流式模型泵，其主要參數(shù)見表1。

表1 模型泵主要參數(shù)

采用Pro/E軟件對模型泵進行三維建模，依據(jù)循環(huán)泵內(nèi)流特點，將計算域劃分為如圖1所示的進口區(qū)、葉輪區(qū)、導葉區(qū)及出口彎管區(qū)。

圖1 計算模型示意

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對計算域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖2示出了整泵、葉輪和導葉的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對葉輪及導葉的葉片近壁面采用O型拓撲結(jié)構(gòu)建立邊界層并進行加密處理，使得其y+值滿足大渦模擬的計算要求。以循環(huán)泵揚程系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)增加是否趨于穩(wěn)定為依據(jù)進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果如圖3所示。綜合考慮計算準確性和經(jīng)濟性，最終確定的總網(wǎng)格數(shù)為6 288 162，其中：葉輪區(qū)網(wǎng)格數(shù)為2 908 070，導葉區(qū)網(wǎng)格數(shù)為2 103 200。

圖2 計算域網(wǎng)格劃分

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

2 計算方法

采用SSTκ-ω模型進行常規(guī)工況和自流工況下內(nèi)流定常計算。進口邊界條件設置為速度進口，其值由泵運行流量決定。出口邊界條件設置為壓力出口，取為一個大氣壓。近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)，固壁面設置為無滑移壁面。采用SIMPLE算法實現(xiàn)速度和壓力之間的耦合，對壓力項采用標準格式進行離散，其它各項均采用一階迎風格式進行離散，收斂殘差設置為0.000 01。

循環(huán)泵運行于自流工況時，其葉輪合力矩為零，由此獲得了不同自流流量下的自流轉(zhuǎn)速，其計算值和試驗測量值的對比如圖4所示。由圖可知，自流轉(zhuǎn)速隨著自流流量的增加呈線性遞增趨勢。在額定流量下（330 m3/h），自流轉(zhuǎn)速的計算值和試驗測量值分別為857 r/min和822 r/min，計算值和測量值的誤差僅為設計轉(zhuǎn)速的2.41%，從性能角度驗證了本文數(shù)值計算方法的有效性。

圖4 數(shù)值計算和試驗測量的自流轉(zhuǎn)速對比

以額定流量下定常計算結(jié)果作為非定常數(shù)值計算的初始值。鑒于大渦模擬方法較其它RNS方法具有更高的精確度［11］，因此研究中采用大渦模擬方法進行非定常數(shù)值計算，其中：亞格子模型選用Smagorinsky-Lilly模型，時間步長設置為葉輪旋轉(zhuǎn)1°所對應的時間，共計算20個葉輪旋轉(zhuǎn)周期并選取最后2個周期計算結(jié)果進行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 流動特征

為對比分析額定流量時常規(guī)工況和自流工況葉輪葉片表面流動特征的差異，采用基于邊界渦量動力學理論的邊界渦量流（BVF）流動診斷和極限流線相結(jié)合的方法對計算結(jié)果進行處理，得到如圖5示出的葉片表面BVF和極限流線分布。由圖可知，在常規(guī)工況下葉片吸力面和壓力面上的流動較為理想，未出現(xiàn)明顯的流動分離現(xiàn)象。在自流工況下，葉片吸力面流態(tài)分布較好，但壓力面上出現(xiàn)典型的BVF正負峰值交替區(qū)，說明此工況下葉片壓力面發(fā)生大尺度的流動分離現(xiàn)象，分離區(qū)覆蓋從輪轂至輪緣的整個葉高范圍，葉片壓力面呈典型的斜流趨勢。

圖5 葉片表面BVF和極限流線分布

為了進一步揭示2種工況下的內(nèi)流差異，圖6示出了0.5倍葉高截面處的流線分布。

圖6 0.5倍葉高處流線分布

由圖6（a）可知，在常規(guī)工況下，葉輪和導葉內(nèi)的流線分布較光順，葉輪內(nèi)無流動分離現(xiàn)象，導葉內(nèi)僅在尾緣區(qū)域發(fā)生較弱的流動分離。在自流工況下，葉輪壓力面前緣發(fā)生流動分離，導葉壓力面從前緣至尾緣均呈脫流狀態(tài)，產(chǎn)生的大尺度分離渦對導葉內(nèi)的主流產(chǎn)生嚴重影響，導葉尾緣后呈主流區(qū)、渦流區(qū)相互間隔的分布規(guī)律。整體而言，葉輪、導葉壓力面流動分離是自流工況下循環(huán)泵的主要內(nèi)流特征，導葉流道及尾緣區(qū)域的大尺度渦流是誘發(fā)復雜低頻脈動的主要誘因。

3.2 壓力脈動特性

由以上分析可知，自流工況下不穩(wěn)定流動分布區(qū)域主要集中于導葉區(qū)和導葉出口區(qū)，因此重點關(guān)注導葉流道內(nèi)和出口處的壓力脈動特性。在導葉流道內(nèi)沿中間流線均布3個壓力脈動測點，同時在導葉出口處沿周向均布6個壓力脈動測點，具體位置如圖7所示。

圖7 壓力脈動測點布置

將壓力脈動幅值進行無量綱化，采用壓力脈動系數(shù)cp進行表征，其表達式如下所示：

式中p——測點壓力瞬時值，Pa；

——測點壓力平均值，Pa；

ρ——密度，kg/m3；

u2——葉輪出口圓周速度，m/s。

采用快速傅里葉變換（FFT）將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，并通過漢寧窗來減小能量的泄漏［12］。

圖8示出了常規(guī)工況和自流工況下導葉流道內(nèi)不同測點處的壓力脈動頻譜，其中：常規(guī)工況葉頻fBPF對應為120.83 Hz，自流工況葉頻fBPF對應為68.5 Hz。由圖可知，常規(guī)工況下不同測點處壓力脈動頻譜分布基本一致，特征頻率為葉頻且其幅值較小，說明常規(guī)工況下導葉內(nèi)流動穩(wěn)定性受葉輪出流影響較小。在自流工況下，導葉內(nèi)不同測點處的壓力脈動特征頻率為葉頻及其二次諧波且葉頻信號占主導，葉頻處壓力脈動系數(shù)分別為常規(guī)工況對應測點處值的11.9倍、34.4倍及46.8倍。自流工況下導葉內(nèi)非穩(wěn)定流動誘發(fā)的激勵主要產(chǎn)生于導葉流道的中后段，其穩(wěn)定性由葉輪出流引起的非理想導葉入流所主導。

圖8 導葉流道內(nèi)壓力脈動頻譜

圖9示出了導葉出口監(jiān)測面上測點E3處的壓力脈動信號對比。由圖可知，常規(guī)工況下壓力脈動的主要特征頻率為葉頻及其二次諧波，自流工況下主要特征頻率為葉頻，葉頻處壓力脈動系數(shù)為常規(guī)工況的8.3倍。同時，自流工況下在0～fBPF范圍內(nèi)出現(xiàn)異常復雜的寬頻激勵信號，說明導葉出口處存在多尺度的復雜渦流結(jié)構(gòu)。

圖9 導葉出口截面上E3測點壓力脈動頻譜

為分析自流工況下壓力脈動信號中葉頻產(chǎn)生的原因，采用Q準則對0.5倍導葉葉高處的瞬態(tài)渦流結(jié)構(gòu)進行識別，如圖10所示，t1～t5對應為1/5個葉輪旋轉(zhuǎn)周期。由圖可知，t1時刻在導葉壓力面前緣產(chǎn)生一正向旋渦結(jié)構(gòu)，隨后該渦團隨主流向下游遷移。在遷移過程中，渦團受主流作用不斷變形和分裂，共同導致了導葉流道內(nèi)異常復雜的渦流結(jié)構(gòu)。整個演化周期對應為1/5個葉輪旋轉(zhuǎn)周期，其演化頻率對應為葉頻，由此可知導葉前緣產(chǎn)生的分離渦是破壞導葉內(nèi)流穩(wěn)定性的主要誘因。

圖10 導葉內(nèi)0.5倍葉高處瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)演化云圖

4 結(jié)論

（1）自流工況下葉輪轉(zhuǎn)速隨自流流量的增加呈線性遞增趨勢，其主要內(nèi)流特征為葉輪、導葉壓力面流動分離，導葉流道及尾緣區(qū)域的大尺度渦流是誘發(fā)復雜低頻脈動的根源。

（2）常規(guī)工況下導葉內(nèi)流動穩(wěn)定性受葉輪出流影響較小，自流工況下導葉內(nèi)非穩(wěn)定流動主要由葉輪出流所主導，其誘發(fā)的激勵主要產(chǎn)生于導葉流道的中后段。

（3）自流工況下壓力脈動的特征頻率為葉頻且其幅值遠大于常規(guī)工況，導葉前緣產(chǎn)生的分離渦是破壞導葉內(nèi)流穩(wěn)定性的主要誘因。

（4）在額定流量下，自流模式不利于艦船的減振降噪，其0～fBPF范圍內(nèi)寬頻激勵對應的流動結(jié)構(gòu)尚待進一步解析。