基于CFD的船舶噴水推進器優化設計

常書平，王永生，丁江明，聶沛軍

（海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢430033）

1 引 言

噴水推進集“槳—舵—車”于一體從而使噴水推進船具有優異的操縱性和機動性[1]。目前，國際上在營運的高速渡輪和游艇大多采用了噴水推進。可以預見噴水推進在國內也必將會有越來越大的應用市場。噴水推進器各部件之間以及推進器與推進載體之間復雜的流體相互作用會直接影響到噴水推進器的推進性能，清楚地掌握流場細節特征對于噴水推進器推進性能分析和優化設計都至關重要。以往對噴水推進器的研究大多采用理論分析和試驗方法，前者簡化和假設較多，而后者又存在周期長、投資大等困難。計算流體力學（CFD）方法能夠對理論分析和試驗方法無法或很難測量和分析的參數進行計算和顯示。它能在降低設計成本、縮短開發周期及提高設計質量等方面都發揮重要作用[2-3]。目前，將CFD技術融入到推進器的性能分析、研發和設計過程已成為眾多研究機構、大學和推進器生產廠家一個十分活躍的研究領域[4-6]。

本文結合實例介紹了CFD技術在船舶新型噴水推進器性能分析、優化設計和推進性能預報中的應用。首先，對某新設計出的噴水推進器各過流部件性能進行了綜合評估，包括泵宏觀外特性、導葉體整流效果、進水流道的流動分離程度和出流均勻性等；然后，對各部件進行了相應的結構優化，使性能得到了較明顯提高；最后，在保證各部件性能優良的基礎上，對裝船后整個噴水推進器的推進性能進行計算以預報船舶航速，直接檢驗了整個噴水推進器設計成功與否。

2 新型噴泵水力性能評估

2.1 數值模型

新設計出的噴泵數值計算域如圖1，采用六面體結構化網格進行離散如圖2。考慮到葉柵通道的周期性，導葉體和葉輪網格劃分只針對葉片單通道進行，分別采用了H型和J型拓撲結構。葉片周圍采用O型網格，葉頂間隙采用數層獨立的H型網格，壁面第一層網格厚度取為10-2R（R為轉子半徑）。圖3為噴泵在設計流量工況時揚程的網格無關性曲線，最終采用的網格數為1.82×106。計算結果主要壁面y+＝14～60，滿足湍流模型對壁面流動模擬的要求。

圖1 新型噴泵數值計算域和邊界條件Fig.1 Computed region and boundary conditions of new waterjet pump

圖2 噴水推進泵網格Fig.2 Mesh of the waterjet pump

采用工程中應用最廣泛的雷諾時均方法求解噴泵內的粘性不可壓縮流場，采用剪切應力輸運（SST）湍流模型封閉控制方程。應用有限體積法將控制方程和邊界條件做相應離散，采用多參考系（MFR）方法對整個系統進行計算。邊界條件的設置為：來流面為流量進口；噴口為壓力出口；葉輪為旋轉區域，葉輪的葉片和輪轂為相對靜止壁面條件，葉輪外殼為絕對靜止壁面條件；導葉體、噴口及進流直管為靜止區域。采用全隱式耦合求解技術同時求解動量方程和連續方程，避免了傳統算法需要“假設壓力項—求解—修正壓力項”的反復迭代過程。計算時對揚程H和功率P變化進行動態監控，確保解的良好收斂。

圖3 不同網格數時揚程計算值Fig.3 Calculated pump head of different mesh

2.2 結果分析

由表1和圖4得：噴泵在設計點的水力性能滿足設計要求，效率η=89.4%。該噴泵在設計點左右的較寬流量工況范圍內效率曲線較平坦，這十分有利于噴泵的穩定工作，對減小振動噪聲和節約能源都有積極意義。

表1 噴泵設計點結果Tab.1 Results at the design point

圖5是葉輪葉片表面壓力分布，壓力系數Cp定義為

式中：p為葉片表面的靜壓；p0為環境參考壓力；v0為來流軸向速度。橫坐標x/c表示葉片表面點位置距導邊距離x與弦長c的比值，0表示導邊，1表示隨邊。比較相對半徑r/R=0.1，r/R=0.5，r/R=0.9三個截面上壓力面與吸力面壓差可以得出，葉片的做功能力從葉根至葉頂是遞增的，這正體現出了葉片設計時展向變環量思想，這對減小葉根扭曲十分有利。

圖4 噴泵的水力性能Fig.4 Hydraulic performances of waterjet pump

圖5 噴泵葉輪壓力特性Fig.5 Pressure characteristic of the impeller

3 部件優化設計

3.1 導葉優化設計

導葉的作用是消除從葉輪流出液流的速度環量，將液流圓周動能轉換為軸向動能，并利用其收縮作用將部分軸面速度的壓能轉換為軸向動能。采用如下三個指標來評估導葉整流效果：

（1）周向速度壓頭與軸向速度壓頭比值

（2）速度加權平均角θ參數

式中：uci和uai分別為截面單元的周向速度和軸向速度。θ越接近90°說明整流效果最好。

（3）噴泵出口速度環量Γ

表2 設計工況導葉整流性能優化Fig.2 Optimization of the diffuser at design point

從圖6和表2可得：改進后導葉使噴泵出流垂直度和導葉片間流場和都有了明顯改善，噴泵出口環量減小且分布連續過渡均勻。整個葉片大部分區域速度環量較小且分布連續均勻，而靠近輪轂和外殼處因受邊界層影響而速度環量值仍較大。

圖6 原導葉和改進后導葉整流效果對比Fig.6 Comparison of stator rectifying performance

3.2 進水流道優化設計

進水流道作為將水流從船底導入噴泵的過流通道，它的結構不僅影響自身的水力性能，還會直接影響噴水推進泵的效率、抗空化性能以及振動噪聲性能，從而對整個噴水推進系統的推進性能產生顯著影響[9]。采用結構化網格進行空間離散，對船底與流道交界處和進口唇部處等流動變化劇烈區域進行了網格加密。進口速度分布采用平板邊界層速度分布來表示，根據Svenssen和Grossi對噴水推進船實船的測量結果[7]，邊界層厚度δ可采用Wieghardt公式δ=0.27x（Re）-1/6近似求取。

原流道內的流線分布十分紊亂，流動分離嚴重。適當降低了流道高度和加長了流道長度，并重新計算。原流道和優化后的流道性能對比如圖7，可見流道流動性能有了較大改善。

圖7 原流道和改進后流道性能對比Fig.7 Comparison of waterjet inlet flow performance

用以下指標來定量評估流道性能：

（1）速度分布不均勻度系數ξ[8]

其中：Q為出口截面的體積流量，u為出口截面各單元格上的局部速度，Uˉ為截面平均速度。出口截面的速度分布越不均勻，ξ就越大，反之ξ越小。

（2）速度加權平均角θ參數（定義同上節）

（3）流道效率 ηinlet

ηinlet定義為流道出口的總能Eoutlet與進入流道的能量ECaptureArea之比，進流面取為進水口前往船頭方向一倍直徑位置處的橫截面[9]。

從表3同樣可得到改進后流道的性能與原流道相比有了明顯提高的結論。

表3 流道性能優化Tab.3 Optimization of waterjet intake duct at design point

4 快速性預報

在各部件性能優良的基礎上，將噴泵、進水流道和船底合為一個流場控制體數值計算（圖8）。考慮到船底邊界層的影響和數值計算邊界條件的設置，船底流場區域各個邊界與進水口的距離要合適。噴水推進器船底流場區域控制體長、寬和深度分別取葉輪進口標稱直徑30倍、10倍和8倍可滿足數值計算要求[10]。通過對受力壁面積分求出與水接觸的噴水推進器每個內表面受力（包括壓力和剪切力），然后將推力曲線與船體阻力曲線迭加來預報航速，如圖9（圖中數值都以設計值為基準進行了單位化處理）。可見，優化設計的噴水推進器航速較原噴水推進器航速有了明顯提高。

圖8 整個噴水推進器流場控制體Fig.8 Control volume of the whole waterjet

圖9 噴水推進器推力與船體阻力Fig.9 Waterjet thrust and ship resistance

5 結 論

本文結合實例討論了CFD技術在船舶噴水推進器性能分析、優化設計和推進性能預報中的應用，得出以下結論：

（1）介紹了噴水推進器各部件性能評估方法。既從揚程、功率和效率性能檢驗了噴泵葉輪的做功能力，又采用多種定性和定量指標對導葉整流效果和進水流道引流性能進行了綜合評判。并據此進行了合理的優化設計，最終提高了設計質量。

（2）CFD技術可快速準確地檢驗噴水推進船舶是否能夠達到設計航速，確保最終設計成功。

（3）使用CFD技術可在模型試驗之前對噴水推進器的設計方案進行有效的分析、比較和優化，這既縮短了新產品研發周期又節省了試驗費用，更提高了設計的質量和水平。

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

[2]Peixin H,Zangeneh M.CFD calculation of the flow through a waterjet pump[C]//International Conference on Waterjet Propulsion3.Gothenburg:RINA,2001.

[3]Norbert B,Berbeek R.CFD simulation of the flow through a waterjet installation[C]//International Conference on Waterjet Propulsion 4.London:RINA,2004.

[4]CDI Marine Company.Waterjet propulsor design[R].Maryland:CDI Marine Company,2003.

[5]Norbert B,Verbeek R.Design of optimal inlet duct geometry based on vessel operational profile[C]//Proceedings of the Seventh International Conference on Fast Sea Transportation Conference.Ischia,Italy,2003.

[6]Park W,Jang J,Chun H.Numerical flow and performance of waterjet propulsion system[J].Ocean Engineering,2005,32:1740-1761.

[7]Svensson R,Grossi L.Trial result including wake measurements from the world’s largest waterjet installation[C]//International Symposium on Waterjet Propulsion II.Amsterdam:RINA,1998.

[8]Verbeek R.Recent development in waterjet design[C]//Proceedings of International Conference on Waterjet Propulsion II.Amsterdam:RINA,1998.

[9]丁江明.船舶噴水推進器推進性能預報研究[D].武漢:海軍工程大學,2009.Ding Jiangming.Research on propulsive performance of marine waterjet[D].Wuhan:Naval University of Engineering,2009.

[10]劉承江,王永生,張志宏.噴水推進器數值模擬所需流場控制體的研究[J].水動力學研究與進展,2008,23(5):592-595.Liu Chengjiang,Wang Yongsheng,Zhang Zhihong.Study on flow control volume in numerical simulation of waterjet propulsor[J].Chinese Journal of Hydrodynamics,2008,23(5):592-595.