噴水推進混流泵流體動力性能的CFD研究

曾文德 王永生 劉承江

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

噴水推進混流泵流體動力性能的CFD研究

曾文德 王永生 劉承江

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

采用CFD方法研究KaMeWa公司的某型噴水推進混流泵的流體動力性能，并分析其內部流場特性。通過幾何建模，將泵劃分為進口、葉輪、導葉體和噴口四部分。分別采用結構化網格離散計算區域。應用k－ε和k－ω相結合的SST湍流模型封閉控制方程，采用全隱式多區域網格耦合求解。預報其功率、揚程、效率等特性，將泵功率的計算結果與該泵廠家試驗數據進行比較，誤差在2%以內。說明本研究采用的CFD方法預報該泵的流體動力性能真實可信。根據計算結果，對內流場的流線和葉片表面的壓力分布做了詳細分析。

噴水推進；混流泵；CFD；性能預報

1 引言

噴水推進技術是近些年來才快速發展起來的推進方式，并被越來越廣泛地應用到現代的高速船上。它有機動性強、全工況效率高、振動噪聲小、傳動裝置簡單、主機不容易超負荷等優點［1］。近年來，隨著計算機技術和計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的發展，噴水推進技術也得以快速發展［2］。國際上使用的CFD數值模擬方法對混流泵各參數測量和性能驗證已經比較成熟，而且比工程試驗方法更節省人力、物力和財力。我國近年來在某些船舶上也采用了噴水推進技術，其中大部分使用進口噴泵（噴水推進泵的簡稱）。目前一些噴泵已經國產化，但對這些噴泵性能參數掌握得還不全面。如果能運用CFD數值模擬方法，在已知該泵幾何參數的情況下，預報其水動力性能，則可為研究噴水推進器的性能以及為我國自行研制噴水推進器提供一些參考。

2 計算方法

本文研究的對象是KaMeWa公司的某型噴泵。該泵屬于混流泵，由于流量和壓頭兩者優勢兼顧，能夠適應于不同船型的需要，我國某型船就采用了該噴泵。采用Solidworks軟件運用自底向上的方法建立幾何模型，如圖1所示，包括進口、葉輪、導葉體、噴口四部分。分別對四個部分劃分網格，均采用六面體結構化網格［3］?？紤]網格數量的影響，經過計算比較，網格總數約為100萬比較合適［］。

圖1 噴泵結構圖

計算的基本控制方程包括連續性方程和動量方程（也稱Navier－Stokes方程，簡稱N－S方程）。

連續性方程：

式中，ρ為流體密度；u為速度；p為壓力；t為時間；x為空間坐標；μ為動力黏度；s為源項；i，j表示坐標軸方向，遵從張量中的求和約定［5］。湍流模型選擇剪切應力傳導模型，邊界條件采用總壓進口，靜壓出口，參考壓力為1個大氣壓。不考慮浮力、熱傳遞等其他因素。求解采用全隱式耦合算法，收斂精度為0.000 1。

3 計算結果分析

3.1 試驗結果

本文所參考的數據是由KaMeWa公司提供，如圖2所示，3號曲線即為本文研究對象的功率－轉速曲線。由圖可知，該噴泵的工作范圍非常廣，可用功率范圍大，適用于不同功率等級的噴水推進船，這也是噴水推進混流泵的優點之一。

圖2 泵的試驗功率曲線

3.2 計算結果的校驗與分析

對該噴泵的不同工況進行數值計算，并與試驗結果進行比較，如圖3所示。CFD計算結果和試驗值吻合較好，計算結果誤差均在2%以內，可見，采用CFD方法預報噴水推進混流泵的性能是可行的［6］。根據CFD計算結果，還得到該混流泵效率曲線、揚程曲線和流量曲線，如圖4所示。這是KaMeWa公司沒有提供給用戶的，這些數據可以為泵的日常使用與維護提供參考，在經費不允許的情況下，采用CFD方法計算得到泵的特性曲線，也是本文的主要目的。從計算的結果來看，與混流泵理論特性相符［7］，特別值得一提的是，該泵在偏離額定工況時，仍有較高的效率，達到87.5%以上，非額定工況運行效率高，也驗證了該泵性能的優越。

圖3 功率預報結果與試驗數據的比較

3.3 混流泵內流場分析及應用

CFD方法除能作為試驗的輔助手段進行噴水推進混流泵的性能預報外，還能根據計算結果分析并顯示內部流場的流動情況，如流線、壓力分布、速度分布等，這正是CFD方法又一個顯著的優點。

圖4 CFD預報的性能曲線

3.3.1 混流泵內流場的流動情況

如圖5所示，混流泵內部流線均勻連續。葉輪對流體做功，流體速度急劇增加。在導葉體內經過整流，最后在漸縮噴口作用下，加速噴出。從速度矢量圖可以看出，流體經過導葉體整流后，周向速度分量已經很小，提高了能量的利用率。

3.3.2 不同工況下葉輪葉片壓力分布

由圖6可知（考慮篇幅有限，僅取轉速為800 r／min和1 000 r／min兩個工況比較，其他比較也選擇這兩個工況），不同工況下葉片壓力分布相似，隨著轉速升高，葉片上的壓力升高。各工況的壓力面壓力高于吸力面壓力，從導邊（即進口邊）向隨邊（即出口邊）壓力增加，壓力等值線均勻連續，總體上平行于導邊和隨邊。在出口葉頂處出現壓力局部偏高，是由于葉頂處的翼型長度較葉根處大，故葉頂處葉片對水流做功多，導致葉片壓力面上靠近葉頂出口處的壓力明顯比其他區域高，這一現象在其他文獻中也有描述［8］。在幾何設計上也有針對性的考慮，使葉片隨邊向進口傾斜，與軸線成60°角，盡量減少葉稍的高壓區，以滿足強度要求。壓力最低點出現在葉輪進口葉頂部分，該點是容易產生空化的部位［9］。在泵的檢修中要注意該部分的空蝕程度，及時修補或更換葉片。

800 r／min的壓力面（左）和吸力面（右）壓力分布

圖6 葉輪葉片壓力分布

3.3.3 不同工況下導葉體葉片壓力分布

由圖7可知（每圖上部分為吸力面，下部分為壓力面），各工況下導葉體葉片壓力分布相似，隨著轉速增加，壓力升高。各工況下葉片表面壓力由葉根向葉頂逐漸增加。

葉輪葉片的壓力是由導邊到隨邊逐步增加，而導葉體的葉片壓力是由葉根到葉頂，根本原因是兩者作用不同，葉輪葉片是做功部件，將軸功率傳遞給流體，流體從進入葉柵通道后，逐步吸收能量，壓頭也不斷提高，而在葉片徑向吸收能量的差距不大，因此形成了壓力的帶狀分布，導葉體葉片只是能量轉換，將速度能轉換為壓能，由于進入導葉體以后，越靠近葉頂，周向速度分量的動能越大，所以經過導葉體葉片轉換的壓能也就越大，所以葉片表面壓力由葉根向葉頂逐漸增加。

圖7 導葉體葉片壓力分布

4 結論

本文主要是利用CFD方法對噴水推進混流泵進行計算。通過功率－轉速曲線的校核，然后計算泵的特性曲線，并簡單分析了內流場特征。經過計算，可以得到以下結論：

1）用CFD方法，采用結構化網格模擬泵的實驗條件，計算不同轉速下的功率，與實驗結果比較，誤差在2%以內，說明利用CFD方法對泵模擬計算是可靠的。這也能為泵的優化設計提供省錢省力的方法。

2）在計算泵不同轉速下的功率的基礎上，計算泵在額定轉速下的特性曲線，從計算結果來看，與理論情況相符合。噴水推進混流泵有比較寬的高效區，功率分布廣，能適用各種不同船型的功率需要。在沒有條件做模型試驗的情況下，采用CFD方法計算泵的特性曲線也不失為一種好方法。

3）采用CFD方法計算，從計算結果的后處理軟件中，能直觀地觀察到各種參數的分布，還能夠自定義監控參數，避免了模型試驗后的大量數據的處理。從內特性結果顯示上看，葉片表面壓力分布連續，變化均勻，在葉片進口吸力面存在低壓區，是易汽蝕的部位。從葉輪葉片和導葉體葉片的壓力分布可以分析兩葉片的功用不同。而這些流動特性正是模型試驗很難直接測得的，也是CFD數值計算的優點之所在。

［1］John Allison.Marine Waterjet Propulsion ［J］.SNAME Transactions，1993，101：275-335.

［2］HORNSBY C.CFD—driving pump design forward world pumps［J］.World Pumps，2002，2002（413）：l8－22.

［3］王明強，朱永梅，劉文欣.有限元網格劃分方法應用研究［J］.機械設計與制造，2004（1）：22－24.

［4］CHUN H H.Experimental and CFD analysis for rotor－stator interaction of a waterjet pump［C］／／Twenty－Fourth Symposium on Naval Hydrodynamics，2003.

［5］王福軍.CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［6］Warn－Gyu Park，Jin Ho Jang.Numerical Flow and Performance Analysis of Waterjet Propulsion［J］.Ocean Engineering，2005，32（10）：1740－1761.

［7］湯方平.噴水推進軸流泵設計及紊流數值分析［D］.上海交通大學，2006.

［8］王福軍.CFD在水力機械湍流分析與性能預測中的應用［J］.中國農業大學學報，2005（4）：75－80.

［9］王福軍，黎耀軍，王文娥，等.水泵CFD應用中的若干問題與思考［J］.排灌機械，2005（5）：1－10.

Hydrodynamic Performance of the Jet Propulsion Mixed-flow Pump by CFD Simulation

Zeng Wen－de Wang Yong－sheng Liu Cheng－jiang
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

CFD simucation is used to predict the hydrodynamic performance of the mixed－flow pump with waterjet propulsion made by KaMeWa，and the flow inside the pump is analyzed.The calculation region is divided into four parts including inlet，impeller，stator and nozzle，and meshed by the structure grid.The Shear Stress Transport turbulent equation which combined k－ε and k－ω turbulent model，and the multiple reference frame models are used to solve the governing equations.CFD is considered feasible to predict the performance of waterjet mixed－flow pump after comparing the computing results with the test data whose error is less than 2%.The streamline in flow field and pressure distribution on the blade of the waterjet pump are analyzed based on the computational results in detail.

water jet propulsion；mixed－flow pump；CFD；performance prediction

U664.34

A

1673－3185（2009）04－18－04

2009-03-06

“十一·五”預研項目

曾文德（1984－），男，碩士研究生。研究方向：噴水推進器水動力特性。E-mail：zwd3032003030＠yahoo.com.cn

王永生（1955－），男，教授，博士生導師。研究方向：艦船推進系統穩動態特性、噴水推進

劉承江（1981－），男，博士。研究方向：噴水推進器空化特性CFD分析