軸流式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)和性能檢驗(yàn)

常書平，王永生，靳栓寶

(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033)

噴水推進(jìn)是利用推進(jìn)泵噴出水流的反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)，它具有常規(guī)螺旋槳所不及的眾多優(yōu)點(diǎn)［1-2］.對(duì)噴水推進(jìn)泵有一些特殊要求，如體積小、轉(zhuǎn)速高、汽蝕性能好、流量系數(shù)大、揚(yáng)程系數(shù)高等，所以噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)難度較一般陸用水泵要大得多［3］.傳統(tǒng)的依靠反復(fù)試制、試驗(yàn)來(lái)研制新型水泵的方法既耗資大又周期長(zhǎng)，不易滿足噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)要求.將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可建立一套軸流式噴水推進(jìn)泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)和水力性能檢驗(yàn)平臺(tái).它采用CAD技術(shù)計(jì)算并修正各過(guò)流部件的形狀參數(shù)，用CFD技術(shù)分析其內(nèi)部流場(chǎng)來(lái)快速判斷CAD設(shè)計(jì)質(zhì)量，并為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)，它的應(yīng)用有益于高質(zhì)高效地完成設(shè)計(jì)任務(wù)［4］.

航速不是太高的艦船和現(xiàn)代兩棲車輛大多采用了軸流式噴水推進(jìn)［5］，本文將建立一套軸流式噴水推進(jìn)泵的CAD-CFD平臺(tái).首先，依托Matlab-Simulink實(shí)現(xiàn)了軸流式噴水推進(jìn)泵參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，直接得出了葉片流面點(diǎn)的空間坐標(biāo);然后，根據(jù)計(jì)算所得的設(shè)計(jì)參數(shù)和坐標(biāo)值在SolidWorks軟件中進(jìn)行三維幾何建模;再采用CFD技術(shù)，經(jīng)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、數(shù)值計(jì)算和后處理等步驟對(duì)所設(shè)計(jì)軸流式噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程、效率等宏觀外特性及具體流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估.文中通過(guò)一實(shí)例詳細(xì)闡述了各個(gè)環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)果表明:該平臺(tái)便捷實(shí)用、可高速優(yōu)質(zhì)地完成軸流式噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì).

1 軸流式噴水推進(jìn)泵CAD

基于圓柱層無(wú)關(guān)性假設(shè)和葉柵理論［6-7］，按照升力法進(jìn)行軸流泵葉輪設(shè)計(jì)，按照流線法設(shè)計(jì)導(dǎo)葉，具體流程如圖1和圖2.

圖1 葉輪設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of the rotor design

圖2 導(dǎo)葉設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of the stator design

該軸流式噴水推進(jìn)泵CAD具有以下特點(diǎn):

1)葉輪設(shè)計(jì)時(shí)，輪轂比dh/D、葉輪外徑D、葉柵稠密度l/t、各截面翼型和旋轉(zhuǎn)中心位置等參數(shù)的組合好壞直接影響泵的效率及空化性能［4］.在該葉輪CAD平臺(tái)中，這些參數(shù)既能根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)曲線自動(dòng)計(jì)算得出，設(shè)計(jì)者也可根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)給定.

2)葉輪設(shè)計(jì)采用了變環(huán)量設(shè)計(jì)思想［8-9］.設(shè)計(jì)者可設(shè)定環(huán)量從葉根到葉頂為線性分布或拋物線分布，通過(guò)修改直線的斜率或拋物線的焦點(diǎn)等系數(shù)具體控制.這樣可避免等環(huán)量時(shí)造成的葉根攻角大和整個(gè)葉片扭曲嚴(yán)重等問(wèn)題.

3)建立了翼型數(shù)據(jù)庫(kù)，含NACA4406-4415、NACA16、NACA66和圓弧等翼型的型值、升阻力系數(shù)曲線等，可在設(shè)計(jì)中調(diào)用.

4)實(shí)現(xiàn)了對(duì)翼型坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)和流面纏繞等操作，直接得出葉片流面的三維空間坐標(biāo)，便于直接進(jìn)行葉片三維幾何建模和檢查葉片扭曲度.

5)實(shí)現(xiàn)了軸流式噴水推進(jìn)泵三維造型的參數(shù)化控制.根據(jù)用戶的調(diào)整不斷修改設(shè)計(jì)參數(shù)，噴水推進(jìn)泵的三維幾何造型跟著發(fā)生相應(yīng)的變化，便于進(jìn)行多方案比較尋優(yōu).

2 軸流式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)實(shí)例

按照020Q84噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體為［9］:流量 Q=0.152 m3/s，揚(yáng)程 H=2.61 m，轉(zhuǎn)速 n=1 450 r/min.

取泵直徑D=0.2 m，葉輪葉片數(shù)z=6，導(dǎo)葉片數(shù)zd=7，主要參數(shù)結(jié)果如表1和表2.葉輪和導(dǎo)葉之間距離為0.05D，葉輪和導(dǎo)葉葉片都選用 NACA16α=0.8翼型.根據(jù)CAD程序計(jì)算得出的各流面翼型空間坐標(biāo)，依托SolidWorks宏命令直接進(jìn)行軸流泵三維幾何造型和葉片形狀檢查，見圖3和圖4.

表1 葉輪主要參數(shù)計(jì)算表Table 1 Calculated results of rotor parameters

表2 導(dǎo)葉主要參數(shù)計(jì)算表Table 2 Calculated results of stator parameters

圖3 葉輪葉片流面線Fig.3 Sectional line of the rotor blade

圖4 噴泵三維造型Fig.4 3D modeling of the waterjet pump

3 軸流式噴水推進(jìn)泵CFD

參照文獻(xiàn)［10］確定該軸流式噴水推進(jìn)泵CFD計(jì)算域如圖5.

圖5 計(jì)算域和邊界設(shè)置Fig.5 Calculated region and boundary conditions

圖6 軸流泵網(wǎng)格Fig.6 Mesh of waterjet axial-flow pump

各部件均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，葉輪采用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉體采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).為較真實(shí)模擬軸流泵內(nèi)部流動(dòng)，對(duì)各固體壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，葉片周圍也用O型網(wǎng)格進(jìn)行了加密，葉頂間隙采用獨(dú)立的10層H型網(wǎng)格嵌入到周圍的O型網(wǎng)格之中.各部件網(wǎng)格如圖6所示.在劃分網(wǎng)格時(shí)還考慮了數(shù)值模擬精度對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的依賴性，最終確定的網(wǎng)格方案見表3.

表3 軸流式噴水推進(jìn)泵各部件網(wǎng)格數(shù)量Table 3 Mesh number of each part of waterjet axial-flow pump

采用工程中應(yīng)用最廣泛的雷諾時(shí)均方法求解軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)復(fù)雜的粘性不可壓縮流場(chǎng)，流動(dòng)控制方程為［11］:

式中:fi為體積力，包括推進(jìn)泵旋轉(zhuǎn)過(guò)程中流體的科氏力和離心力;p為作用在流體上的壓力;ρ為海水密度;μ為海水的分子粘性系數(shù);μt為湍流動(dòng)力粘性系數(shù).

選擇SST剪切應(yīng)力輸運(yùn)模式來(lái)對(duì)湍流進(jìn)行模擬，即在邊界層邊緣和自由剪切層采用k-ε模式，而在近壁面區(qū)域(y+＜2.5)使用k-ω模型中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過(guò)混合函數(shù)來(lái)過(guò)渡［12］.已經(jīng)證明該模式在湍流粘性底層比k-ε具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性，并且對(duì)于較緩的逆壓梯度流動(dòng)，該模式在對(duì)數(shù)律層能較好地模擬邊界層的流動(dòng)特性.

湍動(dòng)能方程:

湍流耗散率方程:

基于SIMPLE算法，應(yīng)用有限體積法將控制方程和邊界條件做相應(yīng)的離散，采用全隱式耦合求解技術(shù)同時(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程.采用MFR［13］方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算.葉輪流場(chǎng)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計(jì)算，導(dǎo)葉體、進(jìn)流段和出流段靜止域流場(chǎng)采用固定坐標(biāo)系計(jì)算，各交界面兩側(cè)的絕對(duì)速度近似認(rèn)為是相等的，通過(guò)周向平均后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.計(jì)算域的進(jìn)口與出口分別采用流量進(jìn)口和靜壓出口邊界條件，環(huán)境壓力為101 325 Pa.計(jì)算時(shí)對(duì)揚(yáng)程H和功率P變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，確保計(jì)算結(jié)果可信.

4 軸流式噴水推進(jìn)泵水力性能分析

4.1 宏觀外特性

CFD計(jì)算得到設(shè)計(jì)泵揚(yáng)程和效率特性曲線分別如圖 7、圖 8所示，可得:設(shè)計(jì)點(diǎn)泵揚(yáng)程 H=2.76 m/s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且在較寬流量范圍內(nèi)具有較高的效率，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的成功性和合理性.低流量工況的揚(yáng)程和效率都明顯高于020Q84噴水推進(jìn)泵，高流量工況的效率低于020Q84試驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖7 揚(yáng)程－流量曲線Fig.7 Performance curve of flow －h(huán)ead

圖8 效率-流量曲線Fig.8 Performance curves of flow-efficiency

4.2 流態(tài)分析

圖9是軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流場(chǎng)特性.(a)圖中流體經(jīng)葉輪做功加速和導(dǎo)葉整流后高速噴出，解釋了噴水推進(jìn)的工作原理.流體進(jìn)入葉輪時(shí)，吸力面進(jìn)水邊附近一低壓窄帶易發(fā)生汽蝕;(d)圖所示是葉輪葉片不同葉高(即相對(duì)半徑)位置處?kù)o壓隨各剖面弦線的分布，橫坐標(biāo)x/c表示取壓點(diǎn)位置距導(dǎo)邊距離x與弦長(zhǎng)c的比值.由壓力分布的過(guò)渡均勻性可知，葉片設(shè)計(jì)是合理的.沿葉輪徑向壓力面與吸力面壓差逐漸增大，做功能力逐漸增強(qiáng)，這正是變環(huán)量設(shè)計(jì)應(yīng)用的結(jié)果.

圖9 泵內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.9 Interior flow field of waterjet axial-flow pump

4.3 設(shè)計(jì)工作的進(jìn)一步改進(jìn)

由圖10得導(dǎo)葉后截面出流存在較明顯的速度周向旋轉(zhuǎn)分量，這部分能量是不利于產(chǎn)生推力的.導(dǎo)葉凹面也存在流動(dòng)分離和渦旋現(xiàn)象.應(yīng)該調(diào)整導(dǎo)葉的進(jìn)口角以更好的適應(yīng)來(lái)流方向，并通過(guò)修改導(dǎo)葉進(jìn)口與出口之間葉片安放角的過(guò)渡規(guī)律來(lái)改善整流效果，提高泵整體效率.

增大葉輪葉片的進(jìn)口安放角度以減小葉片頭部撞擊損失、有效提高效率，同時(shí)改善葉片吸力面進(jìn)水邊附近的壓力分布、優(yōu)化抗汽蝕性能.

泵的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)處于效率峰值點(diǎn)右側(cè)工作，雖然效率較高，但該區(qū)域效率下降較左側(cè)明顯，這對(duì)泵長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性是不利的.

圖10 可進(jìn)一步優(yōu)化的流場(chǎng)分布Fig.10 Flow field needing further improvement

5 結(jié)束語(yǔ)

基于軸流泵的基本設(shè)計(jì)理論，依托Matlab-Simulink、SolidWorks軟件建立了軸流式噴水推進(jìn)泵CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了葉輪和導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)程序化和三維造型參數(shù)化.依托CFD技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)，通過(guò)反復(fù)的修改優(yōu)化得到具有良好性能的軸流式噴水推進(jìn)泵.該平臺(tái)的應(yīng)用，可以減少軸流式噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)中的試制次數(shù)，有效降低研發(fā)費(fèi)用和縮短研制周期，對(duì)加速噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)開發(fā)和促進(jìn)噴水推進(jìn)在國(guó)內(nèi)艦船上的應(yīng)用有積極意義.

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