蘇曉珍，栗文靜，解文辰，宋飛，常海燕，王璐

(1. 合肥城市學(xué)院，安徽合肥 230001；2. 合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司，安徽合肥 230001)

噴水推進(jìn)泵是水力機(jī)械中一種新型泵，它通過噴嘴噴射水流產(chǎn)生的反作用力使裝置前進(jìn)[1-3]，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于核潛艇、船舶、魚雷導(dǎo)彈、水下滑翔機(jī)等軍事領(lǐng)域的推進(jìn)裝置中。噴水推進(jìn)泵的流動聲學(xué)研究及其降噪愈來愈被人們所關(guān)注，不僅因?yàn)檫@類泵在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，還因?yàn)槠涮厥獾膸缀闻渲茫箖?nèi)流機(jī)制有別于其他離心式流體機(jī)械，由此所引起的氣動噪聲有其自身的特點(diǎn)[4-5]。此外，當(dāng)艦艇在中、高速航行時，噴水推進(jìn)泵旋轉(zhuǎn)噪聲隨航速增大而增強(qiáng)，逐漸超過低頻線譜，成為潛艇的主要噪聲；隨著轉(zhuǎn)速不斷提高，泵更易發(fā)生空化現(xiàn)象，一旦推進(jìn)器的葉片產(chǎn)生空泡，噪聲將顯著增強(qiáng)?？栈肼暿菨撏У闹饕肼昜6-8]。因此，從渦動力學(xué)理論出發(fā)，研究噴水推進(jìn)泵內(nèi)部復(fù)雜的湍流流動及誘發(fā)流動噪聲機(jī)理，并開展內(nèi)部渦流動分析，改善空化性能、降低噪聲，是很有必要的。

本文將水力機(jī)械流動理論、空化動力學(xué)理論有機(jī)結(jié)合[9-11]，采用仿生學(xué)原理開展噴水推進(jìn)泵內(nèi)部復(fù)雜漩渦流動數(shù)值模擬，結(jié)合模型泵試驗(yàn)，研究空化的產(chǎn)生、發(fā)展及潰滅過程機(jī)理，以及能量變化規(guī)律等，尋找水力性能下降的主要原因[12]，并將仿生翼型與目前具有最優(yōu)性能的NACA4410翼型和791翼型進(jìn)行比較分析，探尋不同翼型噴水推進(jìn)泵葉輪的內(nèi)部空化流動特性。

1 模型的建立

1.1 鱘魚翼型的建立

鱘魚的進(jìn)化歷史久遠(yuǎn)，億萬年前就有它的蹤跡，長期的優(yōu)勝劣汰已經(jīng)使鱘魚身體結(jié)構(gòu)調(diào)整到最適合水下活動狀態(tài)。本文利用鱘魚身體的外形曲線設(shè)計(jì)仿生翼型，并對魚嘴附近的仿生翼型骨線進(jìn)行局部調(diào)整，借助CFD技術(shù)對仿生翼型進(jìn)行水動力特性分析，獲得較為優(yōu)越的仿生翼型。

選擇不同體型的3條鱘魚作為研究對象，利用缺氧技術(shù)使鱘魚自然死亡，確保其外結(jié)構(gòu)沒有損壞。將鱘魚放在專用掃描平臺上，使鱘魚伸展并固定，然后在其周圍放置專用數(shù)據(jù)采集貼片(paster，圖1)。采用S702型巨影工業(yè)級激光(laster)3D掃描儀(準(zhǔn)確率可達(dá)99.97%)進(jìn)行非接觸式掃描。將掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design X逆向工程軟件，數(shù)據(jù)處理后可得圖2所示的三維模型。

A：掃描實(shí)拍；B：掃描后處理。

A：處理前；B：處理后。

鱘魚三維模型中含有魚鰭和魚尾。為了建立翼型，還要獲取鱘魚的外形曲線。首先建立坐標(biāo)系，以鱘魚吻突頂尖為坐標(biāo)原點(diǎn)O，沿魚長方向建立x軸。為了得到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，將魚身分為20等份，并以O(shè)x軸為分界線將鱘魚分為上下兩部分，則鱘魚上下部分外形各有20個控制點(diǎn)。設(shè)鱘魚翼面控制點(diǎn)坐標(biāo)為(xs,f(xs))，按式(1)進(jìn)行無量綱化處理，可得圖3所示的鱘魚模型外形曲線控制點(diǎn)。

(1)

其中C為翼型的弦長。

圖3 鱘魚模型坐標(biāo)系及外形曲線控制點(diǎn)

1.2 葉片截面幾何結(jié)構(gòu)

在不改變噴水推進(jìn)泵葉片壓力面情況下，改變?nèi)~片截面的翼型幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)3種方案比較分析仿生翼型在水力機(jī)械上的性能。3種方案的葉片截面分別采用鱘魚仿生翼型(FSY翼型)、NACA4410翼型、791翼型進(jìn)行加厚。3種翼型幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。

A. FSY翼型；B. 791翼型；C. NACA4410翼型。

2 結(jié)果與分析

噴水推進(jìn)泵是否發(fā)生空化與裝置汽蝕余量(net positive suction head，NPSH，Ha)有較大的關(guān)系。改變泵進(jìn)口壓力，即改變Ha，泵的揚(yáng)程也會變化。在相同流量工況下，定義揚(yáng)程降δH為：

δH=Hp/H

式中Hp為Ha變化時大型軸流泵的揚(yáng)程，H為泵在相同工況下無空化時的揚(yáng)程。δH=3.00%為空化臨界點(diǎn)。改變泵運(yùn)行工況，采用空化臨界點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn)對裝置空化特性進(jìn)行分析，可得3種方案噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程與裝置Ha的變化規(guī)律(圖5)。從圖5可以看出，Ha在一定范圍內(nèi)減小時，泵揚(yáng)程基本保持不變，然而當(dāng)Ha減小到一定程度后，泵揚(yáng)程急劇下降。3種方案的變化規(guī)律相似。葉片為FSY翼型結(jié)構(gòu)時，隨著Ha減小，揚(yáng)程變化緩慢，Ha=3.56 m時，泵揚(yáng)程下降3%(δH=3.00%)，即泵的必需汽蝕余量(necessary NPSH，Hr)為3.56 m。同理可得，葉片為NACA4410翼型結(jié)構(gòu)時，泵的必需汽蝕余量為3.71 m，葉片為791翼型結(jié)構(gòu)時，泵的必需汽蝕余量為3.82 m。

A. FSY翼型；B. NACA4410翼型；C. 791翼型。

葉片為FSY翼型結(jié)構(gòu)時，Ha不同，則葉片吸力面空化分布情況不同(圖6)。從圖6可以看出，隨著噴水推進(jìn)泵裝置Ha的降低，空化區(qū)域(即氣泡覆蓋葉片的面積)逐漸增大。Ha=5.19 m時，葉片吸力面開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象，空化區(qū)域主要分布在葉片外緣(葉頂)處。根據(jù)圖5，此時噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程下降不足3%，對泵的外特性影響相對較小。隨著Ha的降低，空化區(qū)域從葉頂不斷向葉片出口方向發(fā)展，徑向則不斷向輪轂方向發(fā)展，甚至迅速擴(kuò)展到幾乎整個葉片吸力面。當(dāng)Ha=3.11 m時，空化區(qū)域已經(jīng)延伸到葉片出口附近。

A. Ha=5.19 m；B. Ha=4.75 m；C. Ha=3.51 m；D. Ha=3.11 m。

葉片為NACA4410翼型結(jié)構(gòu)時，不同Ha下葉片吸力面空化區(qū)域分布情況如圖7所示。當(dāng)Ha=5.74 m時，葉片吸力面外緣處出現(xiàn)少量氣泡(藍(lán)色代表空化區(qū)域)，根據(jù)圖5，此時泵的揚(yáng)程并未發(fā)生明顯變化，可以斷定這些氣泡并不影響流體主流。隨著Ha的下降，空化區(qū)域的變化情況與FSY翼型結(jié)構(gòu)葉片相似，不斷向葉片出口方向和輪轂方向延伸。當(dāng)Ha=3.17 m時，氣泡已經(jīng)包裹整個葉片吸力面。

A. Ha=5.74 m；B. Ha=4.21 m；C. Ha=3.56 m；D. Ha=3.17 m。

葉片為791翼型結(jié)構(gòu)時，不同Ha下葉片吸力面空化區(qū)域分布情況如圖8所示?？梢钥闯?，791翼型結(jié)構(gòu)與NACA4410翼型結(jié)構(gòu)的空化區(qū)域具有類似的變化規(guī)律。3種翼型結(jié)構(gòu)的不同之處是，當(dāng)達(dá)到臨界汽蝕余量時，3種葉片吸力面附近的空化區(qū)域面積不同。當(dāng)Ha=5.19 m時，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)的葉片氣泡量最少，NACA4410翼型次之，791翼型最多。氣泡量的多少并不是影響泵性能的主要因素：當(dāng)氣泡量較少，還不足以改變?nèi)~輪內(nèi)部流體流動的主流時，揚(yáng)程的變化可以忽略不計(jì)；當(dāng)若氣泡量過多，則空化會對泵產(chǎn)生顯著影響。

輪轂到輪沿的中間部分為0.5(Blade-to-Blade=0.5)時，3種方案的空化體積分?jǐn)?shù)分布如圖9所示?？梢钥闯觯诒匦杵g余量條件下，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)葉片的空化主要發(fā)生在葉片最大厚度后方，這是因?yàn)榱黧w在葉片最大厚度后方出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象和局部低壓區(qū)，而低壓區(qū)的壓力小于當(dāng)前溫度下流體氣化壓力，所以出現(xiàn)氣泡。與NACA4410翼型結(jié)構(gòu)葉片(圖9B)相比，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)葉片內(nèi)部的氣泡量明顯較少。與791翼型結(jié)構(gòu)葉片(圖9C)相比，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)葉片空化出現(xiàn)的位置離葉片出口更近。一般，流體流動產(chǎn)生流動分離的位置位于葉片最大厚度處，最大厚度后方則會出現(xiàn)局部低壓區(qū)。而葉片旋轉(zhuǎn)做功過程中，離葉片出口越近的位置，壓力越大，抗空化性能越好。因此，葉片最大厚度離葉片出口近，有利于減少空化現(xiàn)象。

A. Ha=6.26 m；B. Ha=5.74 m；C. Ha=4.21 m；D. Ha=3.70 m。

A. FSY翼型，Hr=7.19 m; B. NACA4410翼型，Hr=3.71 m; C. 791翼型，Hr=3.82 m。

為捕捉流體流動的渦形式，采用流體機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的Q準(zhǔn)則識別法，對3種方案必需汽蝕余量下的渦量分布情況進(jìn)行描述，結(jié)果如圖10所示。

A. FSY翼型，Hr=7.19 m；B. NACA4410翼型，Hr=3.71 m；C. 791翼型，Hr=3.82 m。

根據(jù)圖10，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)葉片的渦量主要分布在葉片進(jìn)口前緣處、葉片最大厚度處、葉片出口處等部位，而NACA4410翼型結(jié)構(gòu)葉片、791翼型結(jié)構(gòu)葉片的渦量則主要分布在葉片進(jìn)口、葉片出口附近。另外，F(xiàn)SY翼型結(jié)構(gòu)葉片的渦量分布區(qū)域較小、較分散，NACA4410翼型結(jié)構(gòu)葉片的渦量分布范圍大，不穩(wěn)定區(qū)域大。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，在具有一級精度的閉環(huán)式工作臺上進(jìn)行小型水洞試驗(yàn)(圖11)，測試和優(yōu)化仿生翼型水動力特性。試驗(yàn)裝置包括HLT-131B型電機(jī)、HLT-138型扭矩儀、LDX186A1S2G2C51GP型壓力計(jì)、數(shù)顯式電磁流量計(jì)、D71X-16型進(jìn)口閥和出口閥等。

圖11 小型水洞試驗(yàn)裝置

泵空化性能的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果見圖12。在設(shè)計(jì)工況下，改變裝置汽蝕余量，CFD數(shù)值模擬揚(yáng)程結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，但兩者的變化趨勢基本相同。當(dāng)Ha≥5 m時，隨著Ha的降低，揚(yáng)程基本保持不變；當(dāng)Ha<5 m時，隨著Ha的降低，揚(yáng)程迅速減小。Ha=4.71 m，泵的揚(yáng)程下降3.02%，可近似為空化臨界點(diǎn)。試驗(yàn)所得泵的必需汽蝕余量為Hr=4.55 m，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差為3.64%。因此，數(shù)值模擬能從水力性能和空化性能方面準(zhǔn)確預(yù)測泵內(nèi)部流動狀態(tài)。

圖12 空化性能的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

采用仿生技術(shù)，使用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對仿生翼型設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)泵葉輪空化性能進(jìn)行研究，并與經(jīng)典的NACA4410翼型、971翼型進(jìn)行比較分析，結(jié)果為：仿生翼型泵所需汽蝕余量最小，為3.56 m(δH=3.00%)，葉片氣泡量和氣泡覆蓋面積最少，穩(wěn)定性較好，抗空化性能最好；仿生翼型模型葉輪試驗(yàn)測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對誤差較小，滿足數(shù)值模擬計(jì)算誤差要求。結(jié)果表明，所采用的仿生翼型在噴水推進(jìn)泵模型優(yōu)化上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。