王名揚(yáng)，徐增丙，林 輝，王志剛

（1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081；2.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所，上海 200011）

0 引言

噴水推進(jìn)技術(shù)利用噴射水流產(chǎn)生反作用力廣泛用于現(xiàn)代高速船上，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種推進(jìn)方法［1-5］。推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，當(dāng)推進(jìn)泵運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)的最大危害是增加設(shè)備的振動(dòng)，即水力激振，這在某些情況下還可能引起進(jìn)一步的局部氣蝕，甚至引起共振［6］，為了提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，研究混流式噴水推進(jìn)泵的內(nèi)部壓力脈動(dòng)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家基本一直在使用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)離心泵和軸流泵［7-10］的非定常流場(chǎng)進(jìn)行研究。王雪豹等［11-12］利用CFD的方法分析了對(duì)旋軸流式噴水推進(jìn)器的壓力脈動(dòng)特性，并且通過(guò)不同航速下與設(shè)計(jì)工況下的壓力脈動(dòng)，得出在航速對(duì)推進(jìn)泵的影響。韓偉等［13］利用CFD軟件對(duì)螺旋混流式噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了多工況壓力脈動(dòng)數(shù)值模擬分析，其研究結(jié)果對(duì)于提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性有較大幫助。靳栓寶等對(duì)混流泵內(nèi)部變轉(zhuǎn)速下壓力脈動(dòng)進(jìn)行了分析，得出轉(zhuǎn)速對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)的影響［14-18］。雖然前人對(duì)推進(jìn)泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)于混流式噴水推進(jìn)泵的壓力脈動(dòng)分析的研究還相對(duì)匱乏。

通過(guò)對(duì)混流式噴水推進(jìn)泵流道進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，分析了不同工況下（小流量工況0.6Q、設(shè)計(jì)工況Q、大流量工況1.3Q）混流式噴水推進(jìn)泵不同位置靜壓分布及壓力脈動(dòng)情況，為提高混流式噴水推進(jìn)泵設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性提供了參考。

1 計(jì)算模型與邊界條件

1.1 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本文研究的混流式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)流量Q=2.53 m3/s、設(shè)計(jì)揚(yáng)程 H=25.6 m、轉(zhuǎn)速 n=1 000 r/min、葉片數(shù)Z1=6片、導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=11片。流道整體如圖1所示，為保證進(jìn)出水流的均勻性，將進(jìn)水彎管簡(jiǎn)化成直管，并對(duì)泵的進(jìn)出口段作適當(dāng)?shù)匮由臁?/p>

圖1 噴水推進(jìn)泵數(shù)值計(jì)算域Fig.1 Numerical calculation domain of waterjet propulsion pump

采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對(duì)混流式噴水推進(jìn)泵數(shù)值計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)流動(dòng)劇烈變化的區(qū)域葉輪及導(dǎo)葉部分進(jìn)行適當(dāng)加密如圖2所示。通過(guò)驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于250萬(wàn)時(shí)混流式噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程和效率受網(wǎng)格的變化影響較少（見(jiàn)表1）。最終確定網(wǎng)格劃分方案：進(jìn)口延伸段約40萬(wàn)、葉輪約90萬(wàn)、導(dǎo)葉約90萬(wàn)、出口段約30萬(wàn)，共計(jì)約250萬(wàn)網(wǎng)格單元，質(zhì)量均在0.4以上。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Tab.1 Grid independence analysis

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.2 Computational domain grids

通過(guò)對(duì)10種工況下混流式噴水推進(jìn)泵的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬得到其性能曲線如圖3所示，在設(shè)計(jì)工況下，混流式噴水推進(jìn)泵效率達(dá)到最大值約為75%對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為25.64 m。由圖3可以看出，混流式噴水推進(jìn)泵穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與泵的主要設(shè)計(jì)要求基本一致，因此該計(jì)算模型可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)推進(jìn)泵的水力性能。

圖3 混流式噴水推進(jìn)泵外特性曲線Fig.3 External characteristic curve of mixed-flow waterjet propulsion pump

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

在軟件分析過(guò)程中，選取SST湍流模型，設(shè)定收斂精度為10-5。進(jìn)出口邊界條件分別定義為質(zhì)量流量進(jìn)口和靜壓出口，壁面采用無(wú)滑移邊界條件。為增強(qiáng)計(jì)算的穩(wěn)定性及收斂速度，將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果作為瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算的初始條件。葉輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)0.000 5 s，每個(gè)時(shí)間步葉輪旋轉(zhuǎn)3°，其旋轉(zhuǎn)一周需要120步，采樣時(shí)間控制在6個(gè)周期共0.36 s，由于前幾個(gè)周期壓力場(chǎng)尚未穩(wěn)定，選取葉輪旋轉(zhuǎn)較穩(wěn)定的第6個(gè)周期對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，保證結(jié)果的可靠性。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為研究混流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)特性，在其主要過(guò)流部件截面上設(shè)置沿徑向排列的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，葉輪進(jìn)口截面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為A1，A2，A3，A4，A5，葉輪出口截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為B1，B2，B3，B4，B5，導(dǎo)葉進(jìn)口截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為 C1，C2，C3，C4，C5，導(dǎo)葉中間截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為 D1，D2，D3，D4，D5，導(dǎo)葉出口截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為 E1，E2，E3，E4，E5，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布置如圖 4所示。

圖4 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of pressure pulsation monitoring points

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)時(shí)域分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到泵內(nèi)5個(gè)截面上共25個(gè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)情況，圖5（a）～（j）分別給出了設(shè)計(jì)工況下沿徑向均勻布置的葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉中部和導(dǎo)葉出口5個(gè)截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)信息。

圖5（a）～（e）中橫坐標(biāo)代表葉輪旋轉(zhuǎn)的最后一個(gè)周期，縱坐標(biāo)為各點(diǎn)的瞬時(shí)靜壓值；圖5（f）～（j）中橫坐標(biāo)代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑，縱坐標(biāo)為各點(diǎn)的靜壓波動(dòng)均值。葉輪進(jìn)口截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在葉輪一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，出現(xiàn)6次波峰波谷且波形基本一致，這主要是因?yàn)槿~輪的6個(gè)葉片周期性的對(duì)流體做工，引起流體產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)葉片數(shù)的周期波動(dòng)；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓波動(dòng)均值為負(fù)值，這是因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)動(dòng)改變流體運(yùn)動(dòng)方向，葉輪葉片工作面與背面之間產(chǎn)生強(qiáng)烈壓差，使得葉輪進(jìn)口截面上存在較大的負(fù)壓，靜壓波動(dòng)均值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大其絕對(duì)值越大。

圖5 壓力脈動(dòng)時(shí)域與靜壓波動(dòng)均值Fig.5 Time domain diagram of pressure pulsation and mean value diagram of static pressure fluctuation

葉輪出口截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)規(guī)律明顯且存在的壓力梯度，靜壓波動(dòng)均值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大逐漸變大，且靜壓波動(dòng)均值較葉輪進(jìn)口截面提高。導(dǎo)葉進(jìn)口及導(dǎo)葉中間截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)與葉輪出口相似，但由于導(dǎo)葉的整流作用，壓力脈動(dòng)減弱且靜壓波動(dòng)均值較葉輪出口截面明顯降低。導(dǎo)葉出口截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)明顯減弱，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓波動(dòng)均值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大呈減小趨勢(shì)。

2.2 設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)頻域分析

對(duì)混流式噴水推進(jìn)泵各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域信息進(jìn)行快速傅里葉變換得到各點(diǎn)的頻域如圖6所示。結(jié)果表明：葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉中間及導(dǎo)葉出口截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的主頻相同，主頻均為葉頻，即轉(zhuǎn)頻的6倍。壓力脈動(dòng)強(qiáng)度從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口逐級(jí)遞減，其中葉輪進(jìn)口截面壓力脈動(dòng)最為劇烈，葉輪出口次之，這主要是由于混流泵導(dǎo)葉對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)引起流體的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行了整流，導(dǎo)葉出口截面由于距離旋轉(zhuǎn)區(qū)域較遠(yuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其影響較小。

圖6 壓力脈動(dòng)頻域Fig.6 Frequency domain diagram of pressure pulsation

圖6（a）中葉輪進(jìn)口截面上，壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大呈不斷上升的狀態(tài)，其中靠近輪緣位置壓力脈動(dòng)振幅達(dá)到最大，A5位置的振動(dòng)幅值約為A1處的3倍；圖6（b）中葉輪出口截面上靠近輪緣位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)B5壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為B1的1.3倍，且壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值變化與葉輪進(jìn)口規(guī)律相似；圖6（c）導(dǎo)葉進(jìn)口截面上，壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大有減小的趨勢(shì)；圖6（d）導(dǎo)葉中間截面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)受導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的影響，壓力脈動(dòng)幅值隨半徑的增大出現(xiàn)遞減的規(guī)律，其中靠近輪轂位置D1點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值約為輪緣位置D5點(diǎn)的1.2倍；圖6（e）中導(dǎo)葉出口截面上壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑增大逐漸變大，靠進(jìn)輪緣位置E5點(diǎn)壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為輪轂位置E1點(diǎn)的3倍。

2.3 不同工況下壓力脈動(dòng)時(shí)頻域分析

為更清楚了解流量對(duì)混流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)靜壓分布及壓力脈動(dòng)的影響，分別對(duì)葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉中間及導(dǎo)葉出口截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn) A3，B3，C3，D3，E3在 3種不同工況下（小流量工況0.6Q，設(shè)計(jì)工況Q，大流量工況1.3Q）的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析。

對(duì)比3個(gè)不同工況下混流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)A3，B3，C3，D3，E3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域如圖 7 所示，結(jié)果表明：隨著流量的增大，葉輪進(jìn)口截面A3點(diǎn)靜壓值由負(fù)轉(zhuǎn)正，B3，C3，D3，E3 各點(diǎn)的靜壓值隨流量的增加而逐漸變大，泵內(nèi)靜壓分布受流量變化明顯。

圖7 不同工況下壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.7 Time domain diagram of pressure pulsation under different working conditions

將不同工況下各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息通過(guò)快速傅里葉變換得到各點(diǎn)的頻域如圖8所示。

圖8 不同工況下壓力脈動(dòng)頻域Fig.8 Frequency domain diagram of pressure pulsation under different working conditions

不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn) A3，B3，C3，D3，E3 主頻均保持不變。在葉輪進(jìn)口截面上，設(shè)計(jì)工況下A3點(diǎn)壓力脈動(dòng)振幅最小，其中大流量工況下A3點(diǎn)的壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為設(shè)計(jì)工況下的2.3倍，小流量工況下壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為設(shè)計(jì)工況的1.3倍；在葉輪出口截面上壓力脈動(dòng)隨流量的增大逐漸劇烈，大流量工況下B3點(diǎn)壓力脈動(dòng)振幅為設(shè)計(jì)工況下的1.2倍；導(dǎo)葉進(jìn)口截面上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值在大流量及小流量工況下，其一倍葉頻振幅小于設(shè)計(jì)工況，但在二倍葉頻處均大于設(shè)計(jì)工況；導(dǎo)葉中間截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)D3大流量工況對(duì)其影響明顯，其中大流量工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D3壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為設(shè)計(jì)工況下的3.5倍；導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)E3在大流量工況下E3點(diǎn)的壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為設(shè)計(jì)工況下的3倍，小流量工況下壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值約為設(shè)計(jì)工況的1.5倍。

3 結(jié)論

（1）噴水推進(jìn)泵葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口，靜壓值從葉輪進(jìn)口到葉輪出口由負(fù)轉(zhuǎn)正而后經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉整流逐級(jí)減小，葉輪和導(dǎo)葉的相互作用導(dǎo)致葉輪出口靜壓波動(dòng)均值達(dá)到最大171KPa。

（2）壓力脈動(dòng)強(qiáng)度從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口逐級(jí)遞減，葉輪進(jìn)口截面上壓力脈動(dòng)幅值最大，壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)半徑的增大呈不斷上升的狀態(tài)，其中靠近輪緣位置壓力脈動(dòng)振幅達(dá)到最大，對(duì)于噴水推進(jìn)泵振動(dòng)控制要著重控制葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)。

（3）不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻均保持不變，為葉輪的通過(guò)頻率100Hz，流量的變化基本不會(huì)影響脈動(dòng)主頻，在噴水推進(jìn)泵實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量避免與其固有頻率接近。

（4）噴水推進(jìn)泵在設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)振動(dòng)控制的最好，偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)增大，大流量工況加劇了泵內(nèi)流體的振動(dòng)，小流量工況相較于大流量工況時(shí)對(duì)推進(jìn)泵壓力脈動(dòng)的影響較弱，在噴水推進(jìn)泵的運(yùn)行過(guò)程中要盡量避免偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。