基于流道傾角對噴水推進泵流道性能的影響研究

李 臣，束曉華，趙春生

(1. 江蘇海事職業技術學院 輪機工程學院, 江蘇 南京 211170；2. 渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

基于流道傾角對噴水推進泵流道性能的影響研究

李 臣1，束曉華2，趙春生1

(1. 江蘇海事職業技術學院 輪機工程學院, 江蘇 南京 211170；2. 渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

利用參數化方法設計了 4 種不同流道傾角的噴水推進泵橢圓形進水流道，并采用三維雷諾平均NS方程和RNGκ-ε湍流模型對其流場和性能進行數值仿真。從流道的出流均勻性、流動分離方面來分析在保持進口速比不變，不同流道傾角時流道內流場的變化情況，為噴水推進器進水流道傾角的設計提供依據。計算結果表明：流道傾角對噴水推進泵水力性能和流場變化影響較大。在設定進速比的條件下，隨著流道傾角的增大，噴水推進泵流道出口的流場均勻性變差，流道內部更容易發生流動分離現象，且在流道傾角為47°時的噴水推進泵在設計工況下的流場特性最差。

噴水推進泵；進水流道；數值仿真；流場分析

0 引 言

噴水推進軸流泵屬于高比轉速葉片式泵，其流量大、效率高、抗空泡能力強和噪聲低的特點，使其被廣泛應用在各種高性能艦船上[1 – 2]。進水流道是噴水推進軸流泵能量損失的主要部件，其性能的好壞決定著噴水推進泵系統的高低。合適的流道傾角不僅能夠提高對噴水推進軸流泵的水力性能，而且可以優化噴水推進泵流道的內部流場，提高泵的綜合性能。

目前，普遍采用數值模擬的方法來研究噴水推進泵流道內流動現象，魏應三[3]對某平進口式噴水推進器進水流道，從其出口流動均勻性、空化性能、流動分離情況和變工況的流道適用性等4個方面研究流道傾角在不同進速比工況下的水力性能變化，得到了較好的流道傾角數據。常書平[4]分析了進速比對進水流道內流場的影響，評估了進水流道的出口流動均勻度、流道進口唇部壓力點位置的變化以及空化性能等方面的指標。丁江明等[5]采用先進設計方法設計出進水流道的結構模型，實現進水流道結構的快速設計和建模。然而利用CFD模擬噴水推進泵流道的內部流場時，分析流道傾角的變化對進水流道內流場壓力和速度分布影響的研究較少，優化進水流道的形狀設計方法比較單一，通過保持進口速比不變，改變流道傾角大小來提高系統效率的依據較少。因此，本文分別設計了幾種不同傾角的流道來控制進口液流的流向，進而分析設計工況下進口流道出口面、進口流道唇部截面、流道進口截面以及流道中縱剖截面的流場分布情況，為分析進水流道內流場的流動特性、優化進水流道的結構設計、提高流道效率提供參考。

1 噴水推進軸流泵模型和數值方法

1.1 控制方程與湍流模型

采用Fluent軟件對設計的噴水推進泵進水流道進行仿真，控制方程為不可壓縮的三維連續方程和RANS方程，湍流模型采用RNGκ-ε湍流模型，方程差分采用空間中心差分格式，計算中采用隱式殘差光順法和多重網格技術以加快計算速度。

連續方程：

動量方程：

由于湍流模型采用RNGκ-ε湍流模型，其湍流動能方程κ和湍流耗散率ε的方程為：

式（3）和式（4）中涉及到的具體物理量見文獻[6]，常數取C1ε=1.42，C2ε=1.68。

1.2 物理模型和網格劃分

為研究流道的出流均勻性、內流場的壓力和流速變化等指標，需充分保證進口流道出流的均勻性，因此流道出口軸向長度約是葉輪直徑長度的2倍，以保證出流均勻。噴水推進泵流道模型如圖1所示。

計算域網格的劃分利用Fluent的Gambit模塊完成，網格劃分采用六面體結構化網格，為控制網格生成質量，對進水口唇部和進水流道彎曲部分等流動變化劇烈區域的網格進行加密，流道管壁附近區域使用附面層網格，來提高計算結果的準確性。其中流道區域的網格總數約為78萬，計算得到所有壁面y+小于10，滿足湍流模型的要求[6]。

1.3 邊界條件

數值仿真過程中需要處理的邊界條件主要有進口、出口及壁面邊界。對于進口邊界，給定進口總壓為106 kPa，總溫為293 K；噴口設為壓力出口，大小設為環境壓力；進水流道壁面、船底等設為絕熱無滑移邊界。

2 網格無關性驗證

為準確反映噴水推進泵進水流道水力性能變化情況，又不致網格數量太多，減少計算時間，選用網格數為126萬、146萬、166萬、186萬的計算域網格模型在流量分別為440 kg/s和484 kg/s時進行網格驗證，計算結果如圖2和圖3所示。由圖可知，當網格數超過146萬時，噴水推進軸流泵水力性能的波動范圍變小（水力效率波動范圍在0.025%以內，揚程波動范圍在0.115%以內），網格數繼續增加對水泵模型水力性能的影響較小，模型網格數過高會使計算后收斂曲線產生周期性波動，不利于數值仿真，因此泵模型網格總數選擇146萬。

3 計算結果分析

為研究進口速比不變時流道傾角大小對噴水推進泵進口流道性能的影響，本文首先在設計工況下對4種不同流道傾角的進水流道的內流場進行研究。進口流速方向是表征流道性能的一個重要參數，它由某一工況下的流道傾角決定，現確定這一工況為設計工況（即流量為484 kg/s）。流道性能分析從流道出口的流動均勻性和流道內流場的壓力分布分析，包括速度變化情況、壓力變化情況以及流動分離情況等。

3.1 流道出口流動均勻性分析

進水流道的出口是噴泵葉輪的進口，如果流道出口流動不均勻會導致噴水推進泵的負載出現周期性的脈動[7 – 8]，流道振動加劇，同時也會影響噴水推進泵的工作平穩和效率，因此流道設計時要求流道出口的流動要盡可能均勻。本文通過研究進口流道出口的速度分布（見圖4）評判出口流場的均勻性，用速度分布等值線圖（見圖5）來反映流道出口流體的流動狀態。

通過圖4可看出，隨著流道傾角的增大流道出口流場均勻性變差。當流道傾角較小時，由于低動量邊界層流的攝入[9]，由擴散引起流動橫向偏移明顯減小，出口流動均勻性稍有好轉。通過圖5可看出，在流道出口截面存在 2 個對稱的分離螺旋點，隨著流道傾角的增大，流道出口分離螺旋點的流動均勻性變化不大，但是在流道下沿的流體流速變大（見圖4）且向兩側流動，因此更容易發生分離現象。

3.2 進水流道內流場分析

為進一步研究流道內流場流動變化情況，現分析了不同流道傾角的流道內縱剖面的熵值分布情況，如圖6所示。從圖中可以發現，隨著傾角的增大，流體熵值損失變大，當流道傾角增大到47°時，流道內進口附近的熵值損失還較小，但是在靠近流道出口的熵值損失較為明顯，增加了流體的能量損失。這是由于隨著流道傾角的增大，在流道上半部因邊界層流動分離引起的壓力損失增大所致。隨著熵值損失的增加，也增大了流道內流場的不均勻性，這不利于提高噴泵的效率和揚程。

3.3 流道進口附近流場分析

為分析流道進口附近流場情況以提高流道總體性能，現比較流道進口、流道唇部和距流道進口100 mm處截面的壓力分布如圖7～圖9所示。由圖7和圖8得知，流道進口和唇部截面流動隨著流體的升高均勻性變化不明顯，在流道靠近唇部位置壓力升高。從圖9可以看出，流場隨著流體的升高在靠近流道前半部位置分布漸均勻，而在流道后半部（即流道背部位置）逐漸出現環形高壓區，這是由于高度的增加引起部分邊界層流體分離所致。且隨著流道傾角的增加，流道背部出現的環形高壓區壓力越高，這樣在流道背部由于壓力差引起的流動分離越容易發生，這不利于改進流道的整體性能。

4 結 語

1）隨著流道傾角的增大，流道出口流場均勻性變差，在流道傾角達到47°時流道內流場的不均勻性增大，這不利于流道性能的改善。

2）在流道出口存在 2 個對稱的分離螺旋點，隨著流道傾角的增大，在流道下沿的流體流速增大且向兩側流動，更容易發生分離現象，流體熵值損失也變大，當流道傾角增大到47°時，流道內進口附近的熵值損失還較小，但是在靠近流道出口的熵值損失較為明顯，這增加了流體的能量損失。

3）流場隨著流體的升高在靠近流道前半部位置分布漸均勻，而在流道背部位置逐漸出現環形高壓區，且隨著流道傾角的增加，流道背部出現的環形高壓區壓力越高，這樣在流道背部由于壓力差引起的流動分離越容易發生，這不利于改進流道的整體性能。

[ 1 ]康希宗, 王紹增. 噴水推進器進水流道空化和流動分離的模擬控制研究[J]. 理論與實踐, 2013, 33(3): 20–25.

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[ 4 ]常書平, 王永生, 龐之洋, 等. 噴水推進器進水流道內流場數值模擬與分析[J]. 武漢理工大學學報: 交通科學與工程版,2010, 34(1): 47–52.

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Research on the influence of waterjet duct performance based on inclination of waterjet duct

LI Chen1, SHU Xiao-hua2, ZHAO Chun-sheng1
(1. Jiangsu Maritime Institute, Marine Engineering institute, Nanjing 211170, China;2. Bohai Shipyard Co. Ltd., Huludao 125004, China)

Four different inclination waterjet duct of an elliptic inlet are designed by the parametric method, and the flow field and performance are simulated by using the three-dimensional Reynolds averaged N-S equation and S-A turbulence model. The flow field in different inclination waterjet duct is analyzed from discharge uniformity of the duct, flow separation aspects with inlet velocity ratio unchanged, so that the design basis of the inclination waterjet duct is provided. The calculation results show that the inclination of waterjet duct have great influence on the flow field and hydraulic performance. Under the condition of setting into the inlet velocity ratio, with the increase of the inclination angle of waterjet duct, the flow field of waterjet duct is more uniformity, the cavitation phenomenon of the duct is more likely to occur, and when the inclination angle of waterjet duct attain 47°, flow field characteristics of waterjet duct at the design condition is the worst.

waterjet；duct；numerical simulation；flow field analysis

U664.34

A

1672 – 7649(2017)09 – 0049 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.010

2017 – 02 – 22；

2017 – 06 – 13

江蘇海事職業技術學院校級重點課題資助項目(2015KJZD-02)

李臣(1988 – )，男，助教，研究方向為船舶噴水推進。