125SII型噴水推進(jìn)泵水動力性能的CFD預(yù)報研究

聶沛軍 王永生 李 翔

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

125SII型噴水推進(jìn)泵水動力性能的CFD預(yù)報研究

聶沛軍 王永生 李 翔

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

以71SII型噴水推進(jìn)泵為母型，運(yùn)用相似理論、CFD數(shù)值模擬及試驗數(shù)據(jù)校核相結(jié)合的方法，預(yù)報了某型船擬使用的同系列的125SII型噴水推進(jìn)泵的水動力性能。通過CFD分析不僅獲得了125SII泵的各種性能，如流量、揚(yáng)程、功率、效率等，而且還能反映泵內(nèi)流場細(xì)節(jié)，便于模型的優(yōu)化。本研究的意義在于，在沒有125SII泵的幾何圖紙的情況下，運(yùn)用相似理論從71SII泵的幾何模型推得125SII泵的幾何模型，據(jù)此在方案設(shè)計階段可對新設(shè)計船進(jìn)行快速性預(yù)報。結(jié)果表明，對由71SII泵的幾何模型等比例放大得到的125SII泵模型進(jìn)行CFD計算所得的不同轉(zhuǎn)速下的功率與由71SII泵的試驗P－n曲線通過相似換算所得的各轉(zhuǎn)速下的功率，兩者之間的相對誤差在7%以內(nèi)，這表明由71SII泵的幾何模型等比例放大得到的125SII泵幾何模型及相關(guān)的數(shù)值模擬是可信的。

噴水推進(jìn)泵；相似定律；CFD；性能預(yù)報

1 引言

與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，船舶噴水推進(jìn)具有機(jī)動性和操縱性好、適合淺水航行、振動噪聲小、水聲信號低、高航速時效率高、抗汽蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。眾多的優(yōu)點(diǎn)及近20年來噴水推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，使得噴水推進(jìn)技術(shù)在國際船舶市場（尤其是高速高性能艦船領(lǐng)域）的應(yīng)用日益廣泛，在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了重大進(jìn)展［3］。未來在高速船領(lǐng)域內(nèi)，對噴水推進(jìn)裝置的需求必將擴(kuò)大，而增大功率，提高效率，減輕重量，將成為噴水推進(jìn)裝置的發(fā)展趨勢。隨著整個系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，噴水推進(jìn)將會更廣泛地應(yīng)用于各類船舶［4］。

國內(nèi)某新型船舶擬采用從KaMeWa公司引進(jìn)的125SII型噴水推進(jìn)器。但目前國內(nèi)掌握的與125SII噴水推進(jìn)器相關(guān)的數(shù)據(jù)資料非常有限，也沒有其幾何圖紙，這給該新型船舶的方案論證和初步設(shè)計的快速性預(yù)報帶來了巨大困難。為了給該推進(jìn)系統(tǒng)方案提供切實(shí)有效的技術(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)探索有關(guān)方法對125SII噴水推進(jìn)器流體動力性能進(jìn)行數(shù)值模擬和性能預(yù)報。本文就是利用CAD和CFD相結(jié)合的手段［5］，運(yùn)用相似理論以已經(jīng)掌握的71SII型噴水推進(jìn)泵為母型，對125SII噴水推泵進(jìn)行數(shù)值模擬和性能預(yù)報研究。

2 SII系列泵幾何相似性研究

國內(nèi)已引進(jìn)了KaMeWa公司71SII型噴水推進(jìn)器的生產(chǎn)許可證，而125SII型噴水推進(jìn)泵和71SII型噴水推進(jìn)泵屬于同一個系列。一般而言同系列的泵在幾何外形上是相似的。因此，在缺乏125SII型噴水推進(jìn)泵的幾何參數(shù)的情況下，為對其進(jìn)行性能預(yù)報，作者嘗試采用71SII型噴水推進(jìn)泵為母型，對125SII型噴水推進(jìn)泵進(jìn)行數(shù)值模擬和性能預(yù)報。本節(jié)對SII系列泵的幾何相似性進(jìn)行了分析。

根據(jù)KaMeWa公司提供的功率與轉(zhuǎn)速曲線，先假定該系列泵幾何相似，然后利用泵的相似定律從71SII泵的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系推導(dǎo)63SII泵、80SII泵和90SII泵的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系，再將理論計算值與試驗值比較，分析SII系列泵之間是否具有幾何相似性。在KaMeWa公司提供的功率—轉(zhuǎn)速曲線上取點(diǎn)并用樣條曲線擬合得到圖1所示曲線。

得到 63SII、71SII、80SII和 90SII 4 種型號的泵在各種轉(zhuǎn)速下的功率，如表1所示。

表 1 63SII泵、71SII泵、80SII泵和 90SII泵在各個轉(zhuǎn)速下的試驗功率值

在相似工況下，兩臺幾何相似泵的性能可用相似三定律描述：

式中，Q為泵的流量；H為泵的揚(yáng)程；P為泵的功率；n為泵的轉(zhuǎn)速；D為直徑；ην為泵的容積效率；ηk為泵的水力效率；ηm為機(jī)械效率。對于設(shè)計泵的參數(shù)用下標(biāo)“p”表示，對模型泵的參數(shù)用下標(biāo)“m”表示［6］。

試驗研究的經(jīng)驗說明，在幾何相似的前提下，兩臺工況相似的泵，設(shè)計泵與模型泵的水力效率和容積效率在相當(dāng)精確的程度上可以認(rèn)為是相等的；而設(shè)計泵與模型泵的機(jī)械效率，如果轉(zhuǎn)速較高且相差不大時，也可以認(rèn)為是相等的［6］。

在同一轉(zhuǎn)速下利用相似定律進(jìn)行換算，并且忽略效率的影響，認(rèn)為換算過程中的模型泵與實(shí)型泵各種效率分別相等，則相似定律可簡化為：

先假設(shè)SII系列泵具有幾何相似性。以71SII泵為參考模型泵，在相似工況下，利用第三相似定律將71SII泵各個轉(zhuǎn)速下的功率分別換算到63SII泵、80SII泵和90SII泵。即

在表2中列出了63SII泵、80SII泵和90SII泵在各轉(zhuǎn)速下功率的計算值。

表2 63SII泵、80SII泵和90SII泵在各轉(zhuǎn)速下功率的相似換算值

利用泵的第三相似定律經(jīng)過換算得到63SII泵、80SII泵和90SII泵各轉(zhuǎn)速對應(yīng)功率的理論值，將其與在試驗曲線上所取的相應(yīng)值比較，分析該系列泵是否具有幾何相似性。在表3中列出了3型泵各轉(zhuǎn)速對應(yīng)功率的理論計算值與試驗值之間的相對誤差。

由上述的結(jié)果分析可知，由71SII泵相似換算得到的80SII泵和90SII泵的功率值與試驗值的相對誤差很小，都在4%以內(nèi)；由71SII泵相似換算得到的63SII泵在轉(zhuǎn)速為500 r／min和600 r／min的功率值與試驗值的相對誤差分別為41.35%和15.23%，這是因為63SII泵是該系列尺寸最小的泵，在較低的轉(zhuǎn)速下，其功率很小，因此會產(chǎn)生較大的相對誤差；在較高轉(zhuǎn)速時相對誤差減小到3%以內(nèi)。這說明SII系列泵的確具有幾何相似性。

3 125SII泵的性能分析

泵的特性曲線即某一轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程—流量、功率—流量、效率—流量關(guān)系曲線，它們能夠全面、綜合、直觀地反映一個泵的性能［6］。本文對125SII泵的性能分析主要就是從其在某一轉(zhuǎn)速（接近設(shè)計轉(zhuǎn)速）下的特性曲線著手。KaMeWa 71SII泵的設(shè)計轉(zhuǎn)速約為880 r／min，對應(yīng)的功率約為2 200 kW，而125SII泵的設(shè)計功率已知，約為6 600 kW，根據(jù)相似定律可算得125SII泵的設(shè)計轉(zhuǎn)速約為：

據(jù)此，本文選取計算轉(zhuǎn)速為500 r／min，為區(qū)別起見，稱其為擬設(shè)計轉(zhuǎn)速。

出于數(shù)據(jù)安全性的考慮，本節(jié)中將對125SII泵進(jìn)行CFD計算所獲得的性能參數(shù)除效率外進(jìn)行了無量綱化處理，即將實(shí)際數(shù)值除以參考工況下的值，因此參考工況下的流量、揚(yáng)程、功率的無量綱值均為1，流量、揚(yáng)程、功率的無量綱值的符號均以其本身字母的小寫表示。

現(xiàn)對擬設(shè)計轉(zhuǎn)速下的125SII泵的性能進(jìn)行數(shù)值預(yù)報。

3.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

由第2節(jié)的初步分析結(jié)果可知，SII系列泵具有幾何相似性，所以可以利用CAD幾何建模軟件將根據(jù)幾何圖紙建立的并經(jīng)過驗證準(zhǔn)確可信的71SII泵幾何模型［7］直接等比例放大得到125SII泵幾何模型，在SolidWorks軟件建立125SII泵的幾何模型如圖2所示。

對流場進(jìn)行流動性能數(shù)值計算之前，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將流場區(qū)域分割成大量的網(wǎng)格單元。本文中，噴嘴和進(jìn)口導(dǎo)流部分用ANSYS ICEM－CFD進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。葉輪和導(dǎo)葉體部分采用專業(yè)的葉輪機(jī)械葉柵通道網(wǎng)格劃分軟件Turbogrid進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。圖3為泵體各部分網(wǎng)格生成以后的總效果圖。

3.2 計算前處理

對離散后的區(qū)域進(jìn)行數(shù)值計算前，還需進(jìn)行前處理。前處理就是設(shè)定計算域的邊界條件、模型各部分的物理屬性、流體屬性、湍流模型以及對計算過程控制的設(shè)定等，這是進(jìn)行計算的前提條件。本文用ANSYS CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對125SII泵進(jìn)行性能預(yù)報時所取的計算域和邊界條件如圖4所示。

3.3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

為了獲得一個參考流量值，設(shè)置邊界條件為總壓進(jìn)口和背壓出口。轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r／min。通過CFD計算得到此時的流量即為參考流量。在該流量左右各取三組流量值，七組流量的無量綱值分別為 0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 和 1.3， 對這 7 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬以期獲得125SII泵的基本性能。在接下來的數(shù)值計算中，設(shè)置進(jìn)口條件為流量進(jìn)口，分別設(shè)定值為7組流量值；出口邊界條件設(shè)為背壓出口。轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r／min。根據(jù)CFD計算所得的各流量點(diǎn)所對應(yīng)的功率與揚(yáng)程的無量綱值及效率作出125SII泵在擬設(shè)計轉(zhuǎn)速下的的特性曲線，如圖5、圖6、圖7所示。

由圖7可知，在參考流量下效率最高，其值約為0.90，因此可認(rèn)為參考流量即為設(shè)計流量。

對設(shè)計轉(zhuǎn)速下泵特性曲線的分析：

由圖5可知，揚(yáng)程隨流量減少而增加，沒有出現(xiàn)駝峰，整體走勢較好；由圖6可知，當(dāng)流量在設(shè)計值左右較小的范圍內(nèi)變化時，軸功率變化較小；由圖7可知，只有在設(shè)計流量左右很小的范圍內(nèi)，泵的效率達(dá)到了90%，當(dāng)偏離設(shè)計流量時，效率下降較快，特別是在流量為 18.2 m3／s時，效率只有67.20%。而噴水推進(jìn)泵對效率要求很高，一般在90%左右。說明直接通過相似放大得到的125SII泵還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)果校核

由第2節(jié)的分析可知SII系列泵具有幾何相似性，那么同樣可以由71SII泵各轉(zhuǎn)速下的功率通過相似換算得到125SII泵相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的功率值。兩種方法所得的各個轉(zhuǎn)速下的功率值及相對誤差如表4所示。

由表4可知，對由71SII泵的幾何模型等比例放大得到的125SII泵模型進(jìn)行CFD計算所得的不同轉(zhuǎn)速下的功率與由71SII泵的試驗P－n曲線通過相似換算所得的相應(yīng)各轉(zhuǎn)速下的功率，其相對誤差控制在7%以內(nèi)。進(jìn)一步比較兩組數(shù)據(jù)可知，CFD計算功率值均小于相似換算功率值，這是因為在125SII泵的數(shù)值模擬過程中并沒有考慮機(jī)械損失、摩擦損失和漏泄損失，而相似換算值是由試驗值推算所得，包含了各種損失，因此CFD計算功率值要小于相似換算功率值，與實(shí)際相符。這表明由71SII泵的幾何模型等比例放大得到的125SII泵幾何模型及相關(guān)的數(shù)值模擬都是可信的。

表4 CFD計算和相似換算所得的125SII泵在不同轉(zhuǎn)速下的功率值及相對誤差

5 結(jié)束語

本文在缺乏125SII泵的幾何圖紙及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的情況下，以同系列的71SII泵為母型，以泵的相似理論為指導(dǎo)，利用相似換算的方法和CFD數(shù)值模擬的方法分別獲得了125SII泵的性能曲線，兩者之間的相對誤差在工程許可范圍之內(nèi)，因此認(rèn)為通過這兩種方法均能較為準(zhǔn)確地預(yù)報推進(jìn)泵的外特性。后者利用CAD工具通過對已有的71SII泵幾何模型等比例放大得到了125SII泵的幾何模型，可以將它和進(jìn)水流道、格柵、船體集成在一起進(jìn)行CFD方法的快速性計算和預(yù)報，以用于船體型線改進(jìn)和流道優(yōu)化設(shè)計，更具實(shí)用性和工程應(yīng)用價值。

［1］ALLISON J.Marine waterjet propulsion［J］.SNAME Transaction，1993，101：275－335.

［2］王立祥.船舶噴水推進(jìn)［J］.船舶，1997（3）：45-52.

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Hydrodynamic Performance Prediction of KaMeWa 125SII Water-Jet Pump by CFD Analysis

Nie Pei－jun Wang Yong－sheng Li Xiang
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

This paper aims to predict the performance of 125SII water-jet pump which plans to install in a type of ship，based on the same serial products of 71SII pump by the Similarity Theory and in combination with CFD analysis and experimental data validation.The various performances of 125SII water-jet pump in terms of flow， head， power， efficiency， together with the details reflecting the flow field inside the pump were obtained by CFD analysis.The research is to highlight the feasibility of deriving the 125SII geometry model from the 71SII model as to rapid prediction of new design in the conceptual design stage， using the Similarity Theory， in the case of no design scheme of the pump.For deriving the model， 71SII geometry model was enlarged and relevant numerical simulation was performed.The powers at various rotating speed obtained from 125SII model by enlarging 71SII model in geometric proportion and CFD calculation were compared with those given by similarity transformation of the experimental rev－power curve of 71SII water-jet pump.The result shows that the errors are less than 7%.It demonstrates that the numerical simulation of the 125SII geometry model obtained by enlarging the 71SII water-jet pump in geometric proportion is credible.

water-jet pump；similarity theory；CFD；performance prediction

U664.34

A

1673－3185（2010）06－70－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.06.014

2009-11-25

海軍“十一·五”預(yù)研項目

聶沛軍（1986－），男，碩士研究生。研究方向：船舶噴水推進(jìn)泵的設(shè)計。E-mail：niepeijun926＠126.com

王永生（1955－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦船推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)動態(tài)性能分析和艦船噴水推進(jìn)