噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴水推進(jìn)器性能影響的研究

，，

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

噴水推進(jìn)是利用噴水推進(jìn)泵內(nèi)的葉輪對(duì)水做功，經(jīng)導(dǎo)葉整流后，高速水流從噴口噴出，從而獲得推力的一種新型船舶推進(jìn)方式。它具有高航速時(shí)推進(jìn)效率高、不易空化、水下輻射噪聲低、船舶操縱性優(yōu)和機(jī)動(dòng)性能好等諸多常規(guī)螺旋槳所不能比擬的特點(diǎn)，并依托這些優(yōu)良特性在高速高性能船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，最適合的噴水推進(jìn)器都是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，但為了降低設(shè)計(jì)和制造成本,噴水推進(jìn)供應(yīng)商普遍采用了產(chǎn)品系列化的技術(shù)進(jìn)行了批量生產(chǎn)。世界著名的噴水推進(jìn)裝置生產(chǎn)商KaMeWa、Lips、MJP和Hamilton等的共同點(diǎn)是:噴水推進(jìn)裝置都已系列化和大型化；各公司都建立了自己的噴水推進(jìn)裝置的規(guī)格系列,有的以泵進(jìn)口直徑的厘米數(shù)(cm)命名,如KaMeWa和Lips公司; 有的公司以進(jìn)口直徑的毫米數(shù)(mm)命名,如MJP公司。

三元設(shè)計(jì)方法的引入和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展使得船舶噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化變得更加的方便和精益求精了。噴口作為噴水推進(jìn)器的一個(gè)重要組成部分，它在推進(jìn)器尾部的幾何收縮可以將導(dǎo)葉器的出流壓能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以更高的速度向船后噴出，從而獲得更大的推力；噴口的直徑是設(shè)計(jì)者在考慮船舶的性能之后，通過(guò)最佳噴速比來(lái)確定的，但噴口的軸向長(zhǎng)度則需要設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。由于噴口流體流速極高，且壁面摩擦等因素的影響，過(guò)長(zhǎng)的噴口會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦損失，整個(gè)推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力就會(huì)降低；過(guò)短的噴口又不容易將其內(nèi)水流整為軸向，因此推力也會(huì)減小。因此，找到合適的噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴泵的設(shè)計(jì)者顯得尤為重要。目前國(guó)外的噴口設(shè)計(jì)可以將流量損失降到1%以下，而國(guó)內(nèi)對(duì)噴口長(zhǎng)度的相關(guān)研究較少[4-10]。為了探索噴口軸向長(zhǎng)度對(duì)噴水推進(jìn)器整流效果和效率的影響，提高噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能以及為設(shè)計(jì)者提供一定的參考，運(yùn)用CFD方法，通過(guò)改變某噴泵噴口的軸向長(zhǎng)度，研究不同軸向長(zhǎng)度對(duì)噴口出流的不均勻度、噴射效率以及泵所產(chǎn)生的推力影響。

1 控制方程與方法驗(yàn)證

1.1 控制方程

利用基于中心節(jié)點(diǎn)控制和有限體積法的計(jì)算流體力學(xué)程序來(lái)求解RANS方程，選擇SST模式對(duì)湍流進(jìn)行模擬，不可壓粘性流體數(shù)值求解的控制方程如下。

(1)

(2)

式中：fi——質(zhì)量力；

μ——流體動(dòng)力粘性系數(shù)；

μi——湍流動(dòng)力粘性系數(shù)。

1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

在對(duì)混流泵不同噴口長(zhǎng)度下數(shù)值計(jì)算前，對(duì)國(guó)外的某型混流泵進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證文中所用方法和模型的可信性。

該泵的葉輪進(jìn)口直徑為710 mm,有6個(gè)葉片和11個(gè)導(dǎo)葉，其幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 KaMeWa71SII幾何模型

該噴泵流體性能數(shù)值計(jì)算的幾何分為噴口、導(dǎo)葉、葉輪以及為計(jì)算敞水性能所添加的進(jìn)口直管。噴口和進(jìn)口直管都采用ICEM軟件，劃分六面體網(wǎng)格，近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行了加密，以保證捕捉到邊界層。導(dǎo)葉和葉輪采用TurboGrid軟件劃分六面體網(wǎng)格，葉頂間隙處設(shè)置10層網(wǎng)格。在網(wǎng)格數(shù)量選擇上，對(duì)葉輪在880 r/min工況下的流量進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 流量與網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性圖

從圖2中可以看出，葉輪網(wǎng)格至少需要70萬(wàn)，才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計(jì)算的過(guò)程中權(quán)衡了計(jì)算速度和對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)的有效捕捉兩個(gè)方面，對(duì)不同的部件使用了不同的網(wǎng)格。表1中各個(gè)部件的Y+反映了部件表面的邊界層情況，根據(jù)幫助文件要求，以小于200為準(zhǔn)。

表1 各部件網(wǎng)格數(shù)

邊界條件設(shè)定為總壓進(jìn)口，靜壓出口。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為物理時(shí)間1/ω，其中ω為葉輪轉(zhuǎn)速，(°)/s。計(jì)算孤立泵轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min下功率的變化情況。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)做了不同轉(zhuǎn)速下的歸一處理。對(duì)比可以看出，計(jì)算值與廠商提供數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在3%以內(nèi)，滿足工程要求。說(shuō)明該方法計(jì)算水動(dòng)力特性是可信的，也為接下來(lái)的噴口改進(jìn)工作提供了實(shí)際支撐。

表2 KaMeWa71SⅡ軸功率計(jì)算結(jié)果

2 CFD數(shù)值計(jì)算

噴泵的敞水性能是指孤立泵在均勻進(jìn)流條件下的性能，即不加進(jìn)水流道時(shí)噴泵在均勻流場(chǎng)中的水力性能，它是船后泵性能分析的基礎(chǔ)。

以KaMeWa71SII混流式噴水推進(jìn)泵為對(duì)象，以其導(dǎo)葉輪轂處尖角至噴口出口處的長(zhǎng)度為噴口的軸向長(zhǎng)度(251.6 mm)，以依次增加或減少原噴口長(zhǎng)度的10%(25 mm)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其噴口進(jìn)行系列化改變，計(jì)算比較噴泵的敞水性能。

為了保證連接曲線與導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線都相切，在作圖過(guò)程中使用了貝賽爾曲線來(lái)連接導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線，從而保證從導(dǎo)葉流出的高速水流在噴出過(guò)程中的能量損失最小。各噴口在UG中的輪廓線見(jiàn)圖3，回轉(zhuǎn)后的噴口見(jiàn)圖4。

圖3 噴口輪廓線示意

圖4 不同長(zhǎng)度的噴口

2.1 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域空間離散，對(duì)進(jìn)流管和噴口壁面附近網(wǎng)格加密以較好地模擬壁面附近流動(dòng)。葉輪單通道節(jié)點(diǎn)數(shù)為15萬(wàn)，導(dǎo)葉單通道為10萬(wàn)。葉輪扭曲度較大使用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，葉片和導(dǎo)葉附近都采用了O型網(wǎng)格。各部件網(wǎng)格見(jiàn)圖5。

圖5 各部件網(wǎng)格

整個(gè)流場(chǎng)控制體總共采用了約310萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，Y+控制在30以內(nèi)，不同軸向尺寸的噴口，根據(jù)噴口的長(zhǎng)短對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，保證不同噴口中網(wǎng)格單元的大小差別不大，減小了因?yàn)榫W(wǎng)格的疏密造成的誤差。

2.2 邊界條件

對(duì)噴水推進(jìn)泵孤立泵水力性能進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為保證均勻進(jìn)流，在葉輪進(jìn)口前加進(jìn)流直管段，其直徑為葉輪進(jìn)口直徑，長(zhǎng)度為2倍直徑。噴水推進(jìn)器的進(jìn)口設(shè)為總壓進(jìn)口，出口設(shè)為靜壓出口，推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速設(shè)為常用工況900 r/min。

2.3 計(jì)算方法

噴水推進(jìn)系統(tǒng)的流場(chǎng)區(qū)域采用穩(wěn)態(tài)多參考系(MRF)方法進(jìn)行計(jì)算，葉輪內(nèi)的流場(chǎng)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計(jì)算，導(dǎo)葉體和流道內(nèi)的流場(chǎng)采用固定坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，聯(lián)立求解連續(xù)方程和RANS方程，然后求解湍流方程。

3 CFD計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述方法，對(duì)不同噴口的噴水推進(jìn)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖6、7、8。

圖6 噴口長(zhǎng)度和揚(yáng)程關(guān)系示意

圖7 噴口長(zhǎng)度和泵效率關(guān)系示意

圖8 噴口長(zhǎng)度和推力關(guān)系示意

分析發(fā)現(xiàn)，隨著噴口軸向長(zhǎng)度的增加，泵的揚(yáng)程降低，泵效率也逐漸降低，這是因?yàn)閲娍谳S向長(zhǎng)度增加之后，壁面摩擦阻力增加，流量減小，揚(yáng)程降低，使得水力功率降低，進(jìn)而使泵的效率下降。

分析還發(fā)現(xiàn)，隨著噴口軸向長(zhǎng)度的增加，敞水泵的推力是先增加后減小，在251.6 mm，即泵進(jìn)口直徑的35%左右時(shí)，推力值達(dá)到最大。分析認(rèn)為噴口的主要作用在于整流的同時(shí)，將導(dǎo)葉體出流的壓力能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，提高噴口的出流速度，噴口太短，液體的壓力能就不能很好地轉(zhuǎn)化為動(dòng)力能，產(chǎn)生的推力就小；噴口太長(zhǎng)，液體的壓力能雖然能夠充分地轉(zhuǎn)化為動(dòng)力能，但噴口太長(zhǎng)會(huì)引起壁面摩擦阻力增加，出口流量減小，產(chǎn)生的推力也會(huì)變小。

因此，250 mm左右是噴口的最佳值，在此情況下，壓力能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能與壁面摩擦阻力之差最大，推力值達(dá)到最高。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法，運(yùn)用CFX軟件對(duì)71SII在不同噴口尺寸下噴泵的水力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)：噴口的長(zhǎng)度增加時(shí)，噴口的揚(yáng)程不斷降低，效率會(huì)不斷減小泵的推力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；當(dāng)噴口長(zhǎng)度達(dá)到35%的葉輪進(jìn)口直徑時(shí)，推力最大。這對(duì)于噴水推進(jìn)器性能改進(jìn)過(guò)程中噴口的優(yōu)化提供了一定的參考依據(jù)。

本文對(duì)混流泵的最佳噴口長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，其推力在326.6 mm左右時(shí)，趨勢(shì)不是特別好，還需要進(jìn)一步研究。另外，對(duì)于軸流泵噴口的設(shè)計(jì)以及噴口和導(dǎo)葉出口處輪轂的匹配，還需要進(jìn)一步計(jì)算。

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