李偉，楊震宇，施衛(wèi)東，李恩達(dá)，季磊磊

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009； 3. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

噴水推進(jìn)裝置是一種利用水流的反作用力來獲得推力的動力裝置.在高速船舶、潛水艇上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].ITTC定義的典型噴水推進(jìn)動量傳遞模型如圖1所示，液體經(jīng)進(jìn)水流道進(jìn)入葉輪，在導(dǎo)葉的作用下到達(dá)噴口處.然而，受進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)影響，流道內(nèi)流體出現(xiàn)明顯的速度與壓力梯度，液體流動狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)旋轉(zhuǎn)失速、空化等失穩(wěn)問題[4-5].近年來，對非均勻進(jìn)流的成因已有一定的研究，但對其造成的影響分析還不夠透徹.液體通過船底邊界層時，會出現(xiàn)流動不均勻現(xiàn)象，流道底部速度高于頂部，進(jìn)而引發(fā)流動分離，影響裝置的穩(wěn)定性[6].

圖1 噴水推進(jìn)器理論模型

由于噴水推進(jìn)器的試驗較為復(fù)雜且成本很高，國內(nèi)外學(xué)者針對非均勻進(jìn)流的研究主要采用數(shù)值模擬的方法[7-10].結(jié)合本課題組前期研究成果，文中分別從噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流的描述與評價、非均勻進(jìn)流的主要成因、影響非均勻進(jìn)流的關(guān)鍵因素、非均勻進(jìn)流的不良影響等4個方面總結(jié)非均勻進(jìn)流的研究現(xiàn)狀，并提出噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容和方向.

1 非均勻進(jìn)流的描述與評價

噴水推進(jìn)泵在運(yùn)行過程中，受進(jìn)水流道以及驅(qū)動軸擾動的影響，在進(jìn)口流面處會出現(xiàn)速度與壓力分布不均勻的現(xiàn)象.由于進(jìn)水流道的上曲面與下曲面的曲率不同，在進(jìn)口流面處，上壁面速度低于下壁面速度，速度具有周向不均勻性.同時流動產(chǎn)生的慣性力會發(fā)生變化，打破原本的平衡，橫向壓力發(fā)生變化，誘發(fā)二次流并與主流疊加，形成復(fù)雜的螺旋運(yùn)動.

HU等[11]通過數(shù)值模擬的方法對推進(jìn)水泵進(jìn)流面的進(jìn)流狀態(tài)進(jìn)行分析.BRANDNER等[12]通過試驗的方法對推進(jìn)水泵進(jìn)流面進(jìn)流壓力的分布進(jìn)行了深入分析.DUERR等[13]通過對進(jìn)流的仿真也得到類似結(jié)果.本課題組[14]針對20 m/s航速下混流式噴水推進(jìn)泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，獲得泵進(jìn)流面壓力分布，如圖2所示，在混流式噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處會出現(xiàn)徑向速度與壓力分布不均勻現(xiàn)象，受驅(qū)動軸影響，流體流向改變，形成復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)，并引發(fā)流動分離，形成分離渦.

圖2 高航速下噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面壓力與速度分布云圖

為了定量分析流面速度的變化，魏應(yīng)三等[15]定義了速度不均勻度系數(shù)ξ，并發(fā)現(xiàn)不同進(jìn)口速度比下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處不均勻度也會發(fā)生改變.

(1)

BULTEN[16]通過試驗方法對可能影響不均勻度的因素進(jìn)行研究，并比較了不同運(yùn)行條件下ξ值的變化，即

(2)

式中：v為局部軸向速度，m/s；vpump為平均軸向速度，m/s.

噴水推進(jìn)器通過水流反作用產(chǎn)生的動量來推進(jìn)航行，CHESNAKAS等[17]提出利用動量和能量不均勻系數(shù)來分析進(jìn)流的不均勻性，即

(3)

(4)

對于噴水推進(jìn)泵而言，總壓過低的區(qū)域可能嚴(yán)重到足以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子負(fù)載不穩(wěn)定或發(fā)生空化現(xiàn)象.DUERR等[13]引入渦輪發(fā)動機(jī)中的周向總壓畸變指數(shù)DC60來量化噴水推進(jìn)泵進(jìn)流不均勻度，該指標(biāo)本質(zhì)上用于查找圓周方向上的最差區(qū)域.

(5)

式中：ptot60和ptot360分別為過流斷面60°和360°區(qū)域內(nèi)的平均總壓；v0為船舶航速.

2 非均勻進(jìn)流的主要成因

2.1 驅(qū)動軸的擾動

在噴水推進(jìn)器運(yùn)行過程中，驅(qū)動軸周圍具有明顯的壓力梯度，在壓差的作用下，流體流向改變，形成復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)，并引發(fā)流動分離，形成分離渦，導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵入口處進(jìn)流不均勻.HU等[11]對噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道內(nèi)的流場進(jìn)行研究，通過模擬噴水推進(jìn)器在不同航速下的工作狀態(tài)，對驅(qū)動軸擾動造成的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動軸的存在是造成進(jìn)流不均勻的重要原因.在唇緣區(qū)域附近和管道出口處，進(jìn)流狀態(tài)會發(fā)生劇烈變化，而驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，當(dāng)雷諾數(shù)較小時，旋轉(zhuǎn)軸對進(jìn)流管輸出流量的影響很大，但是隨著雷諾數(shù)的增大，該影響變小.同時，隨著速度比IVR的減小，進(jìn)流管出口處(即葉輪入口)的流場變得更加均勻.SEIL[18]發(fā)現(xiàn)沒有驅(qū)動軸時，葉輪進(jìn)口處流動狀態(tài)更為穩(wěn)定.劉瑞華等[19]取消驅(qū)動軸的存在并通過齒輪進(jìn)行驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)該種方式下噴水推進(jìn)泵的運(yùn)行效率更高.

2.2 邊界層厚度

受船底邊界層影響，進(jìn)水流道斜坡處發(fā)生流動分離，并出現(xiàn)大面積的渦旋結(jié)構(gòu)，在噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道處出現(xiàn)顯著的流動分離現(xiàn)象，并在噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面形成周向不均勻分布的非均勻進(jìn)流.BRANDNER等[12]對噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道進(jìn)行了試驗，研究了邊界層厚度對進(jìn)流的影響，發(fā)現(xiàn)邊界層厚度的增加明顯減少了坡道邊界層的分離和泵表面流動的畸變，但隨著邊界層的加厚，空化發(fā)生的可能性也隨之增大.ROBERTS等[20]通過風(fēng)洞試驗對邊界層的影響進(jìn)行了進(jìn)一步驗證.

2.3 進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)

PARK等[21]對進(jìn)水流道內(nèi)流場進(jìn)行PIV試驗，發(fā)現(xiàn)較低的船速下，進(jìn)水流道唇部處更容易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，并導(dǎo)致空化的產(chǎn)生.BRANDNER等[12]通過試驗也發(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象.BULTEN[16]對噴水推進(jìn)器進(jìn)行全流場仿真時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水流道尺寸結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致非均勻進(jìn)流現(xiàn)象的重要原因.DUERR等[13]在BRANDNER[12]和BULTEN[16]的研究基礎(chǔ)上，綜合分析了非均勻進(jìn)流的成因：① 受船底邊界層的影響，噴水推進(jìn)泵TDC(上止點(diǎn)，即泵運(yùn)行位置的最頂端)附近的軸向速度降低；② 軸尾流導(dǎo)致TDC附近的軸向速度不足，同時，驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)將賦予流體一個旋轉(zhuǎn)分量；③ 彎管導(dǎo)致的二次流動.

綜上所述，進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)、驅(qū)動軸擾動、船底邊界層以及航速是導(dǎo)致進(jìn)水流道內(nèi)部形成非均勻進(jìn)流的重要原因.同時航速的提高會導(dǎo)致進(jìn)流不均勻性進(jìn)一步惡化，使得泵內(nèi)部流動更不穩(wěn)定.

3 影響非均勻進(jìn)流的因素

船舶運(yùn)行過程中，受驅(qū)動軸擾動、船底邊界層厚度及進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵進(jìn)口處流動不均勻，除此之外，在以往研究中發(fā)現(xiàn)不同的進(jìn)口速度比IVR以及船舶航行速度下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處速度與壓力的周向分布不均勻性更加明顯，進(jìn)流的不均勻度也會發(fā)生較大的變化.

3.1 進(jìn)口速度比IVR

BULTEN等[16]通過改變船與泵的進(jìn)口速度比IVR對進(jìn)水流道內(nèi)流動情況進(jìn)行研究，進(jìn)口速度比IVR計算式為

(6)

式中：v0為船舶航速，m/s；v2為進(jìn)水流道入口平均速度，m/s.

BULTEN等[16]發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)器在相對較低船速下運(yùn)行時IVR會小于1，這表明在進(jìn)入進(jìn)水流道時液體流動速度會加快.此時，分流管線的停滯點(diǎn)位于進(jìn)水口的船體一側(cè).這可能會導(dǎo)致唇部上側(cè)入口處發(fā)生汽蝕或流動分離.如果船舶以設(shè)計速度航行，IVR值將大于2.0，這表明在進(jìn)入進(jìn)水流道時，液體流動速度會減緩，此時，停滯點(diǎn)位于進(jìn)水口的入口側(cè)，而汽蝕位置位于唇部的船體一側(cè)，進(jìn)水流道中流體的減速會導(dǎo)致進(jìn)水流道中壓力梯度下降.如果此壓力梯度太大，則可能在入口頂部發(fā)生流動分離.

王洋等[22]在對軸流式噴水推進(jìn)泵的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，不均勻度ζ可以用來評價噴水推進(jìn)泵的進(jìn)流品質(zhì).DUERR等[13]在對進(jìn)水流道轉(zhuǎn)彎工況下出口質(zhì)量進(jìn)行評價時，發(fā)現(xiàn)不均勻度ζ同樣適用.成立等[23]發(fā)現(xiàn)IVR可以用于進(jìn)水流道設(shè)計參考.李恩達(dá)[14]前期研究獲得了不同航速下進(jìn)口速度比IVR以及不均勻度ζ，發(fā)現(xiàn)當(dāng)IVR增加時，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流不均勻度也隨之增加.進(jìn)流面頂部分離渦尺度逐漸變大，分離渦處流體速度明顯降低，進(jìn)流分布不均勻度變大，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流狀態(tài)急劇惡化.而當(dāng)IVR值較低時，進(jìn)流不均勻度較低，進(jìn)流品質(zhì)相對較好，該結(jié)果與BULTEN[16]研究內(nèi)容相一致.

BULTEN[16]對進(jìn)水流道內(nèi)的壓力系數(shù)進(jìn)行研究，對比分析IVR為1.07和2.03時在對稱面上的壓力分布，發(fā)現(xiàn)IVR對壓力分布的影響并不局限于斜坡處，在死水和入口彎道處也會看到明顯的壓力差，如圖3所示.

圖3 不同IVR時對稱面壓力系數(shù)Cp

3.2 船舶航行速度

DUERR等[13]對噴水推進(jìn)泵進(jìn)行數(shù)值模擬，在一定速度范圍內(nèi)通過改變噴水推進(jìn)泵入口流量來評估軸向速度的不均勻程度.研究發(fā)現(xiàn)，在大流量下噴水推進(jìn)泵入口處不均度更高.對于以穩(wěn)定船速航行的典型船舶，噴水推進(jìn)泵以恒定的運(yùn)行工況運(yùn)行，通過改變船舶運(yùn)行的速度，發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)泵入口處速度的徑向分布與船速無關(guān).

本課題組[14]對額定轉(zhuǎn)速時不同航速下噴水推進(jìn)泵內(nèi)流進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，額定轉(zhuǎn)速下，不均勻度ζ會隨著船速的增加而增加.在高航速下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面不均勻度較大，存在著較大的速度梯度關(guān)系；而當(dāng)船速逐漸降低時，不均勻度逐漸趨近于0.在不同航速下，進(jìn)水流道流體流態(tài)也有所差異，如圖4所示，圖中pw為量綱一化后的壓力.在高航速下，進(jìn)水流道驅(qū)動軸下方顯現(xiàn)大面積低壓區(qū)，隨著航速的減小，斜坡處低壓區(qū)減小，受唇部結(jié)構(gòu)影響，唇部附近出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，壓差作用下，唇部流動分離現(xiàn)象加劇.

圖4 不同航行速度下進(jìn)水流道軸面壓力分布圖

圖5為額定轉(zhuǎn)速時不同航速下進(jìn)水流道速度分布圖.

圖5 不同航行速度下進(jìn)水流道軸面速度分布圖

由圖5可知，在整個進(jìn)流過程中，受流道半徑及驅(qū)動軸影響，斜坡上方速度低于下方，導(dǎo)致進(jìn)水流道出口處速度分布發(fā)生變化，驅(qū)動軸上端速度虧損，下端速度盈溢，在下側(cè)圓弧彎管處會形成一個高速區(qū)域，推測是由于流道曲率突然發(fā)生變化引起的，且隨著航速的增加，流道內(nèi)進(jìn)流速度亦逐漸增大.

4 非均勻進(jìn)流的不良影響

4.1 非均勻進(jìn)流對水力性能的影響

在船舶的實(shí)際運(yùn)行過程中，受非均勻進(jìn)流影響，其運(yùn)行工況與設(shè)計工況會出現(xiàn)一定的偏差.在設(shè)計工況內(nèi)，與均勻進(jìn)流相比，非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程和效率都會有所下降，隨著流量的增加，其下降程度也隨之增加.BULTEN[16]對非均勻進(jìn)流條件下噴水推進(jìn)泵的水力性能進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的效率較均勻進(jìn)流有所下降，但是揚(yáng)程并未發(fā)生明顯變化.HU等[11]對比分析了均勻進(jìn)流與周向平均非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程與扭矩，發(fā)現(xiàn)周向平均非均勻進(jìn)流對泵的扭矩和揚(yáng)程沒有造成明顯影響.金實(shí)斌等[24]通過偏差量S來定義噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程與效率的變化.在設(shè)計工況下，噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程與效率有所下降，其降幅約為18.5%，且隨著流量的增大，泵的揚(yáng)程和效率也進(jìn)一步下降.王洋等[22]發(fā)現(xiàn)輪緣處周向分離渦會導(dǎo)致葉片載荷發(fā)生變化，進(jìn)一步影響推進(jìn)裝置運(yùn)行性能.LUO等[25]指出非均勻進(jìn)流會降低噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程、效率，增加葉輪軸向振動，流動失穩(wěn)、湍動能產(chǎn)生及雷諾應(yīng)力擴(kuò)散是噴水推進(jìn)泵能量損失的主要原因.施衛(wèi)東等[26]通過比較不同進(jìn)流條件下軸流泵工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)非均勻流下軸流泵的揚(yáng)程下降，影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性.van ESCH等[27]通過測量總壓力的精確質(zhì)量平均數(shù)來計算揚(yáng)程.非均勻進(jìn)流下泵的揚(yáng)程和扭矩有所下降，對于這種輕微的不均勻性，揚(yáng)程和扭矩最多降低2.5%.同時對比研究了1 mm和2 mm間隙下噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程、扭矩、效率以及軸向力的變化，發(fā)現(xiàn)增加葉頂間隙會導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵性能的降低.王洋等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流在輪緣處演化為周向分離渦，并堵塞部分流道，影響其過流能力.

由上述研究可見，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪各流道流態(tài)分布呈現(xiàn)明顯差異性，其質(zhì)量流量以及過流能力均呈現(xiàn)周向不均勻分布，出現(xiàn)過流流道及堵塞流道，導(dǎo)致泵的水力性能較均勻進(jìn)流有所下降.

4.2 非均勻進(jìn)流對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化的影響

TAN等[28]通過試驗發(fā)現(xiàn)均勻進(jìn)流下，葉輪出口處會出現(xiàn)空泡渦，影響噴水推進(jìn)裝置的運(yùn)行性能.ZHANG等[29]在對軸流泵的空化試驗中也發(fā)現(xiàn)了相似的垂直空泡渦.龍云[30]通過試驗對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化現(xiàn)象進(jìn)行研究，成功捕獲到葉輪內(nèi)部的空化渦結(jié)構(gòu).BONAIUTI等[8]通過逆向設(shè)計方法對噴水推進(jìn)泵的幾何形狀進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，同時進(jìn)行CFD分析以評估流體的運(yùn)動.從試驗測試以及CFD蒸氣體積分?jǐn)?shù)圖觀察葉輪表面，發(fā)現(xiàn)有氣穴附著在葉輪外殼上，如圖6所示.

圖6 空化發(fā)展的可視化試驗

受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵內(nèi)部由于壓力的分布不均，在低壓處容易出現(xiàn)空泡，使得噴水推進(jìn)泵內(nèi)部出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象.MOTLEY等[31]基于流場仿真對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動狀態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下轉(zhuǎn)子和定子上負(fù)載發(fā)生變化，高側(cè)應(yīng)力作用在定子與轉(zhuǎn)子葉片上，造成一定的汽蝕效應(yīng).圖7為轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片兩側(cè)20%蒸氣體積分?jǐn)?shù).大量薄薄的不穩(wěn)定氣穴覆蓋了吸力面?zhèn)却蟛糠謪^(qū)域，并且靠近轉(zhuǎn)子葉片壓力面?zhèn)鹊暮缶?由于氣穴相對較薄，空化作用較弱，因此在定子和轉(zhuǎn)子的這種特殊組合下，不會出現(xiàn)大規(guī)模阻塞問題.

圖7 葉片和輪轂上20%蒸氣體積分?jǐn)?shù)

HUANG等[32]對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)空化是導(dǎo)致其內(nèi)部流動紊亂的重要原因.本課題組[14]研究了混流式噴水推進(jìn)泵葉輪流道的空化特性.在高航速下，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪分為過流流道及堵塞流道.過流流道為流道2，堵塞流道為流道3和4.其中，堵塞流道進(jìn)流沖角過大容易在吸力面?zhèn)刃纬闪鲃臃蛛x；而在過流流道中，進(jìn)流角反而小于葉片安放角進(jìn)而出現(xiàn)負(fù)沖角，在壓力面形成流動分離現(xiàn)象.在船舶實(shí)際航行過程中，噴水推進(jìn)泵空化體積分布也呈現(xiàn)高度的不均勻性.堵塞流道由于液流速度低，葉頂泄漏流速度及泄漏量普遍偏小，未出現(xiàn)泄漏渦空化，而在吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)少量片狀空化渦.在過流流道，由于液流速度普遍較快，泄漏流速度及泄漏量甚至遠(yuǎn)高于均勻進(jìn)流情形，因此大量泄漏渦空化出現(xiàn)在過流流道輪緣區(qū).由負(fù)沖角形成的壓力面?zhèn)确蛛x渦也大量附著在壓力面，形成片狀空化渦，如圖8所示.王雪豹[33]通過對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化流動進(jìn)行數(shù)值分析后得到相似結(jié)論：在高轉(zhuǎn)速下，葉片上會附著大量空泡，且從輪緣處逐漸發(fā)展到輪轂處，不同葉片處空泡體積分?jǐn)?shù)以及流道內(nèi)空泡的分布有較為明顯的差異性.

圖8 高航速下噴水推進(jìn)泵葉輪流道的空化特性

4.3 非均勻進(jìn)流對噴水推進(jìn)泵載荷的影響

由于進(jìn)流的不均勻，作用在轉(zhuǎn)子與定子上的載荷將會發(fā)生變化.在噴水推進(jìn)泵運(yùn)行過程中，非均勻的流入速度分布會產(chǎn)生一個附加的徑向力，該力在慣性參考系中保持穩(wěn)定.BULTEN等[34]對噴水推進(jìn)泵進(jìn)行瞬態(tài)計算，非均勻進(jìn)流分布會在葉輪軸上產(chǎn)生穩(wěn)定的徑向力，該力的大小取決于不均勻程度，徑向力的方向幾乎與流入速度分布無關(guān).流量的變化表明，穩(wěn)定徑向力的方向隨著流量的降低而變化.GULICH[35]對多級泵、雙向泵進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)泵進(jìn)流速度的畸變會使徑向力發(fā)生變化，導(dǎo)致泵體發(fā)生振動，產(chǎn)生不良影響.曹璞玉[36]在研究非均勻進(jìn)流下葉片載荷時發(fā)現(xiàn)，非均勻進(jìn)流會導(dǎo)致葉片載荷分布發(fā)生變化，各葉片上載荷分布具有不均勻性.輪轂處，周向分離渦誘發(fā)的展向渦導(dǎo)致葉片做功能力降低，噴水推進(jìn)泵輪轂處揚(yáng)程也有所下降.而輪緣處，周向分離渦誘發(fā)的集中分離渦導(dǎo)致葉片的環(huán)量降低，輪緣處揚(yáng)程也因此出現(xiàn)折斷性下降.

4.4 非均勻進(jìn)流對噴水推進(jìn)泵旋轉(zhuǎn)失速的影響

船舶在實(shí)際航行過程中會常常處于啟動、轉(zhuǎn)向、倒航等機(jī)動條件.在機(jī)動條件下，噴水推進(jìn)泵常處于部分負(fù)載工況運(yùn)行，導(dǎo)致葉輪出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象.它不僅會造成噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程損失[37]，還會誘發(fā)振動噪聲等，使得泵內(nèi)部流動狀況更加惡劣，甚至?xí)茐倪^流部件，造成葉片的損壞.EMMONS等[38]發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下，葉輪內(nèi)部會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速，影響流道過流能力.ZHANG等[39]對風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了非均勻進(jìn)流下旋轉(zhuǎn)失速的觸發(fā)機(jī)制及出口長度對失速裕度的影響.LIN等[40]通過高階畸變動態(tài)模型，對失速發(fā)生時刻、位置進(jìn)行準(zhǔn)確識別.LI等[41]通過控制總壓畸變強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對進(jìn)口葉尖畸變、輪轂徑向畸變強(qiáng)度的捕捉，并提出葉尖空氣噴射技術(shù)顯著提高壓氣機(jī)失速裕度.馮建軍等[42]對離心泵進(jìn)口周向和徑向2種非均勻來流失速特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與均勻來流情況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)非均勻入流會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生.本課題組[43]對不同工況下葉輪出口流態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)小流量下葉輪出口處更容易發(fā)生流動畸變，造成流道堵塞和湍動能耗散，使得揚(yáng)程驟降，由此提出駝峰區(qū)內(nèi)混流式噴水推進(jìn)泵失速狀態(tài)判別機(jī)理.同時，李恩達(dá)[14]對彎管進(jìn)流下混流式噴水推進(jìn)泵失速特性進(jìn)行了數(shù)值計算，獲得了不同進(jìn)流方式下葉輪液流特性分布，發(fā)現(xiàn)失速工況下，彎管進(jìn)流流態(tài)略好于直管進(jìn)流，葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)較為穩(wěn)定，彎管進(jìn)流能夠有效緩解失速工況下的不穩(wěn)定流態(tài)以及失速渦尺度.曹璞玉[36]在對非均勻進(jìn)流的研究中也有類似結(jié)論：受流道內(nèi)部渦旋擾動，相較于直管均勻進(jìn)流，非均勻進(jìn)流揚(yáng)程會出現(xiàn)折斷性下降，周向分離渦擾動代替系統(tǒng)擾動誘發(fā)失速，導(dǎo)致能量耗散.

由此可見，均勻進(jìn)流下，旋轉(zhuǎn)失速會導(dǎo)致泵進(jìn)口處回流量激增，增加運(yùn)行損耗.但在非均勻進(jìn)流下，旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展進(jìn)程和模式可能會受到較大改變，某種情況下，非均勻進(jìn)流可能會起到抑制旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生的作用，但在全工況范圍內(nèi)，非均勻進(jìn)流導(dǎo)致的水力損失仍然較均勻進(jìn)流大.

4.5 非均勻進(jìn)流對噴水推進(jìn)泵壓力脈動的影響

受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵內(nèi)部壓力脈動與均勻進(jìn)流時存在差別.常書平等[44]研究了噴水推進(jìn)泵在設(shè)計工況、運(yùn)行工況時葉輪進(jìn)口與出口、導(dǎo)葉中部與出口的壓力脈動，發(fā)現(xiàn)最大壓力脈動發(fā)生在葉輪進(jìn)口處，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪進(jìn)口從80°到140°半徑方向的壓力脈動較大，其主要受葉輪葉頻控制.噴水推進(jìn)泵在額定航速下葉輪進(jìn)口處壓力脈動最小，當(dāng)船舶自由航行時，其壓力脈動頻率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系.王雪豹等[45]對設(shè)計工況下軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)部各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動時域圖和頻域圖進(jìn)行了對比分析，受葉頻的影響，首、次級葉輪輪緣間隙處的壓力脈動不僅與葉輪的葉片數(shù)有關(guān)，還與噴水推進(jìn)泵葉輪數(shù)量有關(guān).在工作過程中，由于首、次級兩級葉輪反向旋轉(zhuǎn)，軸線方向上2級葉輪之間軸向間隙處壓力脈動幅值達(dá)到最大.

本課題組[14]對比分析了均勻進(jìn)流與非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵壓力脈動特性.受非均勻進(jìn)流影響，不同監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動幅度有所增加，同時流道過流能力會減弱，泵內(nèi)回流現(xiàn)象將會加劇.這一現(xiàn)象與王雪豹等[33]的研究結(jié)論相一致，他們認(rèn)為非均勻進(jìn)流壓力脈動特性與均勻進(jìn)流相比存在明顯差異.相較于均勻進(jìn)流下壓力隨時間的小幅度脈動，非均勻進(jìn)流下脈動幅值波動極為顯著.

5 研究展望與發(fā)展趨勢

非均勻進(jìn)流是噴水推進(jìn)器運(yùn)行過程中的一種典型的現(xiàn)象，受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵運(yùn)行過程中不穩(wěn)定流動問題加劇，從而對混流泵的經(jīng)濟(jì)性和安全性都產(chǎn)生很大的影響，雖然學(xué)界對該問題已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，但對非均勻進(jìn)流的研究還不夠完善.因此，需要從以下幾個方面開展更加深入的研究:

1) 在對噴水推進(jìn)泵內(nèi)流特性進(jìn)行數(shù)值模擬時，為了更好地分析非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵內(nèi)部多尺度旋渦結(jié)構(gòu)和二次流，需要選擇更好的模型與之匹配，使得模擬更加接近真實(shí)情況.除此之外，對非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的振動及噪聲的研究還不夠充分，需要加強(qiáng)這方面的研究.

2) 對于噴水推進(jìn)泵內(nèi)非均勻進(jìn)流的研究目前是以模擬為主，受到客觀條件的限制，未能通過試驗的方式對非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵性能及推力進(jìn)行測試，因此需要通過相應(yīng)試驗來驗證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性.為了更好地模擬船舶的真實(shí)航行狀態(tài)，需要搭建噴水推進(jìn)泵試驗臺，來獲得不同航速下噴水推進(jìn)泵的推力特性，更好地揭示非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵內(nèi)部的流動規(guī)律.

3) 對于穩(wěn)定巡航狀態(tài)下噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流的研究已有了一定進(jìn)展，未來可以針對機(jī)動條件下的運(yùn)行狀態(tài)開展研究.由于噴水推進(jìn)泵在機(jī)動條件下會處于部分負(fù)載工況，但由于缺乏相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，未能對其內(nèi)部流動特性做出真實(shí)模擬.未來可以通過基于機(jī)動條件下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的瞬態(tài)數(shù)值計算，進(jìn)一步研究噴水推進(jìn)泵在機(jī)動條件下的內(nèi)流特性.