噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)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)器從船底由進(jìn)水口通過進(jìn)水流道吸水，再經(jīng)噴泵做功通過噴口向船后高速噴出，利用噴出水流反作用力來推動(dòng)船舶前進(jìn)[1]。早期，噴水推進(jìn)系統(tǒng)性能的分析主要采用理論方法和試驗(yàn)方法。隨著高性能計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來數(shù)值模擬方法越來越多地應(yīng)用于噴水推進(jìn)器部件與系統(tǒng)流場分析評(píng)估與性能預(yù)報(bào)等研究中，并與試驗(yàn)方法結(jié)合證實(shí)了CFD研究噴水推進(jìn)水動(dòng)力性能方法的可信和有效[2-3]。已有研究表明應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合流體動(dòng)力性能優(yōu)良的進(jìn)水流道的快速設(shè)計(jì)[4]；進(jìn)水流道內(nèi)流動(dòng)分離的出現(xiàn)對(duì)進(jìn)水流道的效率升高和進(jìn)水流道阻力的降低都是不利的[5]；通過對(duì)三元設(shè)計(jì)中葉片負(fù)載分布的研究可成功減小葉輪和導(dǎo)葉中的二次流。國內(nèi)某游艇噴水推進(jìn)快速性校核不佳，分析其原因發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水流道流動(dòng)性能和葉輪水做功后導(dǎo)葉體的整流性能較差是主要原因，本文討論改進(jìn)其進(jìn)水流道性能和提高導(dǎo)葉體的整流性能。

1 基礎(chǔ)理論與數(shù)值模型驗(yàn)證

1.1 基礎(chǔ)理論

在定常條件下,應(yīng)用不可壓縮的三維連續(xù)方程和RANS方程模擬進(jìn)水流道內(nèi)流場。

連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

式中：ρ——密度;

μ——流體粘性系數(shù);

利用有限體積法對(duì)RANS偏微分方程進(jìn)行離散，進(jìn)而對(duì)其用數(shù)值方法進(jìn)行求解。選擇SST兩方程湍流模式封閉方程組(1)和(2)，集合k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面區(qū)域采用k-ω模型模擬，湍流耗散較小，收斂性好，同時(shí)具有近壁面區(qū)域粘性流動(dòng)的可靠性和計(jì)算遠(yuǎn)場自由流動(dòng)的精確性；而在湍流發(fā)展充分區(qū)域采用k-ε模型模擬[7]，計(jì)算效率高，對(duì)復(fù)雜流場的適應(yīng)性更好。k-ε和k-ω兩種模型的結(jié)合能夠更好地模擬粘性底層流動(dòng)。采用湍流模型加壁面函數(shù)方法減小計(jì)算量，提高數(shù)值計(jì)算精度。

1.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

選擇國外某一混流式噴水推進(jìn)泵及進(jìn)水流道，其噴泵的進(jìn)口直徑71 cm。首先建模，噴水推進(jìn)的數(shù)值計(jì)算區(qū)域見圖1。

圖1 噴水推進(jìn)數(shù)值計(jì)算區(qū)域

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取流場控制體[8]長、寬、深分別為30D,10D,8D(其中D為噴水推進(jìn)泵的標(biāo)稱直徑)，所有計(jì)算區(qū)域全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。在噴泵部分，考慮到葉片沿軸向的幾何通道是周期性旋轉(zhuǎn)的，導(dǎo)葉體和葉輪是對(duì)葉片的單通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 噴泵網(wǎng)格

葉片周圍采用O型網(wǎng)格，葉輪的葉頂間隙采用數(shù)層獨(dú)立的H型網(wǎng)格，靠近壁面的第一層網(wǎng)格的厚度取0.2 mm。在進(jìn)水流道部分，流場控制體的上表面、進(jìn)水流道進(jìn)水口的背部和唇部以及旋轉(zhuǎn)軸等流體流動(dòng)變化相對(duì)劇烈的位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理見圖3。

圖3 進(jìn)水流道網(wǎng)格

距離壁面的第一層網(wǎng)格高度為0.2 mm，控制Y+在200以內(nèi)，保證CFD計(jì)算時(shí)壁面Y+函數(shù)滿足要求。

采用有限體積法離散控制方程對(duì)邊界條件做相應(yīng)的離散，采用工程上常用的雷諾時(shí)均法求解噴水推進(jìn)流場控制域內(nèi)粘性不可壓縮流場，并采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型進(jìn)行方程求解。邊界條件設(shè)置：進(jìn)水流道控制體進(jìn)流面為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度(船舶在各個(gè)工況下的航速)分布采用平板邊界層速度分布來表示，根據(jù)Svenssen和Grossi[9]對(duì)噴水推進(jìn)船實(shí)船的測量結(jié)果，邊界層厚度σ可以采用Wieghardt公式σ=0.27×Re-1/6近似求取；進(jìn)水流道控制體的出流面為壓力開口(流體可以自由出入)；噴口出流面為壓力出口；葉輪為旋轉(zhuǎn)域，葉輪葉片和輪轂為相對(duì)靜止壁面條件，葉輪外殼為絕對(duì)靜止壁面條件；導(dǎo)葉體、噴口、進(jìn)水流道及控制體全部為靜止區(qū)域，過流面全部設(shè)為無滑移壁面。為確保求解值良好的收斂性，計(jì)算過程中用壁面積分法對(duì)噴水推進(jìn)器的過流壁面所受到的力T進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試航提供的推力數(shù)據(jù)相比見表1，所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了單位化，誤差均在3.5%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求，這說明本文使用的數(shù)值模型和計(jì)算方法能可信地應(yīng)用于工程問題分析。

表1 推力計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試航數(shù)據(jù)對(duì)比

2 原噴泵流體動(dòng)力性能分析及優(yōu)化

對(duì)象是國內(nèi)某高速噴水推進(jìn)游艇的推進(jìn)部件，噴泵為單級(jí)軸流泵, 噴泵進(jìn)口直徑155 mm，葉輪部分3個(gè)葉片，導(dǎo)葉部分6個(gè)葉片，在噴口部分存在二級(jí)導(dǎo)葉片，見圖4。

圖4 噴泵幾何

計(jì)算噴泵的敞水效率，設(shè)置流量進(jìn)口，噴口的出口為靜壓出口，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，噴泵網(wǎng)格的生成方法與1.2數(shù)值方法驗(yàn)證的噴泵生成方法一致，分別在180～230 kg/s的流量下對(duì)噴泵的揚(yáng)程、功率和效率值進(jìn)行監(jiān)控，見圖5。

圖5 噴泵的水力性能

該噴泵的最高效率點(diǎn)在流量為210 kg/s時(shí)，最高效率只有81.7%，該噴泵敞水效率較低，對(duì)噴泵的敞水效率較低原因進(jìn)行分析時(shí)，把噴泵的葉輪部分和導(dǎo)葉部分分開進(jìn)行分析，即分別考慮葉輪做功的效率和導(dǎo)葉整流的效率。

1)定義葉輪效率ηrotor。

ηrotor=ρ·g·Q·H/Ppump

(3)

式中：ρ——水的密度；

g——重力加速度；

Q——流量；

H——流體從葉輪進(jìn)口到葉輪出口增加的揚(yáng)程；

Ppump——泵的軸功率。

2)定義導(dǎo)葉的效率ηstator。

ηstator=Enozzle,out/Estator,in

(4)

圖6 葉片之間的流線圖

式中:Enozzle,out——噴口的總壓;

Estator,in——葉輪出口的總壓，葉輪的出口和導(dǎo)葉的進(jìn)口是葉輪和導(dǎo)葉計(jì)算域的交界面。

原始設(shè)計(jì)的葉輪效率為94.3%，具有較高的效率。導(dǎo)葉部分效率為78.4%，導(dǎo)葉整流效率較低，導(dǎo)葉的葉片整流效果不佳，局部位置存在漩渦，同時(shí)在噴口處由于二級(jí)導(dǎo)葉的存在，高速流動(dòng)的流體加大了壁面摩擦損失。對(duì)導(dǎo)葉幾何形狀進(jìn)行修改，使其葉片進(jìn)口處與流體轉(zhuǎn)向基本保持一致，然后導(dǎo)葉葉片過渡至水平方向。葉輪和導(dǎo)葉改進(jìn)前后軸面的周向視圖見圖6，流過導(dǎo)葉的流線比較順暢，流體不存在漩渦。

3 進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)分析

該高速噴水推進(jìn)游艇進(jìn)水流道出口直徑為15.5 cm，進(jìn)水流道進(jìn)水口與船底連接，在進(jìn)水口處加裝有3根格柵，噴水推進(jìn)器以及船底與水接觸的部分見圖7。

圖7 噴水推進(jìn)系統(tǒng)和船底幾何模型與網(wǎng)格

對(duì)此研究對(duì)象的船體、格柵、進(jìn)水流道等部件進(jìn)行幾何建模，對(duì)進(jìn)水流道和船底流場控制體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，對(duì)格柵、軸、船底和流道交界處以及進(jìn)水口的唇部等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。進(jìn)口速度分布采用平板邊界層速度分布來表示。

計(jì)算結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，原進(jìn)水流道內(nèi)的流線分布十分紊亂，出現(xiàn)的流動(dòng)分離嚴(yán)重，進(jìn)水流道出口的速度分布相當(dāng)不均勻。在進(jìn)水流道出口位置和大小不改變、進(jìn)水口的位置不改變的情況下，適當(dāng)加大進(jìn)水口的面積，對(duì)進(jìn)水流道的背部曲線進(jìn)行流線型修改，使進(jìn)水流道背部盡量平滑和流暢，在高航速時(shí)來流容易直接沖進(jìn)使得少出現(xiàn)流動(dòng)分離，進(jìn)水流道內(nèi)部流線出現(xiàn)漩渦較少，進(jìn)水流道出口不均勻度減小。原進(jìn)水流道和改進(jìn)后進(jìn)水流道的出口速度分布云圖和進(jìn)水流道內(nèi)部流線圖對(duì)比見圖8和9。

圖8 進(jìn)水流道出口速度分布對(duì)比

圖9 進(jìn)水流道內(nèi)部流線分布對(duì)比

引入以下指標(biāo)定量評(píng)估進(jìn)水流道的性能。

1)進(jìn)水流道出口速度不均勻度ξ[10]。

(5)

式中:Q——出口截面的體積流量；

u——出口截面各單元格上的局部速度；

A——出口截面面積。

出口截面的速度分布越均勻，ξ就越小；反之就越大。

2)進(jìn)水流道出口速度方向的加權(quán)平均角θ。

(6)

式中：uci——截面單元的周向速度；

uai——截面單元的軸向速速。

θ參數(shù)越接近90°說明整流效果越好。

3)進(jìn)水流道效率ηinlet。ηinlet定義為進(jìn)水流道出口的總能Eoutlet與進(jìn)入流道的能量Ecapturearea之比，進(jìn)流面取為進(jìn)水口前往船頭方向1倍直徑位置處的橫截面積[11]。

ηinlet=Eoutlet/EcaptureArea×100%

(7)

(8)

(9)

根據(jù)以上3個(gè)指標(biāo)，得到改進(jìn)后進(jìn)水流道的出口速度不均勻度變小，進(jìn)水流道的效率增加，總體性能明顯優(yōu)于原進(jìn)水流道，見表2。

表2 進(jìn)水流道性能優(yōu)化對(duì)比

4 噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能預(yù)報(bào)

在對(duì)導(dǎo)葉葉片和進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將“噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道(優(yōu)化后)+格柵+船底”組成的系統(tǒng)置于一定的控制域中，見圖10。

圖10 整個(gè)噴水推進(jìn)系統(tǒng)

設(shè)置進(jìn)流的邊界條件為航速，研究噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能。在轉(zhuǎn)速7 500 r/min的條件下，計(jì)算在70～90 km/h航速時(shí)的推力性能，并與原進(jìn)水流道組成的噴水推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)水流道后的噴水推進(jìn)系統(tǒng)的推力和推力效率較改進(jìn)之前都有提高，見圖11。

圖11 噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能對(duì)比

5 結(jié)論

1)CFD技術(shù)在船舶噴水推進(jìn)器的研究應(yīng)用是有效的，可以快速準(zhǔn)確地驗(yàn)證噴水推進(jìn)船航速能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并具體分析各部件對(duì)總體性能的影響。這既可以縮短研發(fā)周期又可以極大地節(jié)省模型試驗(yàn)費(fèi)用。

2)導(dǎo)葉葉片作為整流部件，使高速周向旋轉(zhuǎn)的流體轉(zhuǎn)化為軸向流動(dòng)，導(dǎo)葉葉片的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循由周向速度往軸向速度過渡，避免整流過程中出現(xiàn)渦旋與回流。

3)針對(duì)進(jìn)水流道中漩渦問題，在保證進(jìn)水流道出水口大小和高度不變的條件下，對(duì)背部的曲線進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)水流道背部與軸交界位置選擇平滑光順過渡，有利于改善此處的流動(dòng)分離問題，對(duì)進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

4)進(jìn)水流道優(yōu)化改進(jìn)后，改善了噴泵進(jìn)流條件，充分利用了來流動(dòng)能，提高了噴水推進(jìn)泵的推進(jìn)性能。通過改進(jìn)進(jìn)水流道，各工況下噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能均有顯著提高。

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

[2] NORBERT B.Numerical analysis of a waterjet propulsion system[D].Netherlands: Library Eindhoven University of Technology,2006.

[3] PEIXIN H,ZANGENEH M.CFD simulation of the flow through a waterjet pump[C]∥International Conference on Waterjet propulsion3.Gothenburg:RINA,2001.

[4] 丁江明，王永生.噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,44(10):1423-1428.

[5] PARVIZ G,ROYA S,MAHDI Y.Performance assessment of the waterjet propulsion system through a combined analytical and numerical approach[J].Interna-tional Journal of Physics,2013(2),22-27.

[6] AKIRA Goto,ZENGENEH M.Hydrodynamic design of pump diffuser using inverse design method and CFD[J].Journal of Fluids Engineering，2002,124：319-328.

[7] 常書平，王永生．采用k-ε湍流模型的噴水推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)[J].華中科技大學(xué):自然科學(xué)版,2012,40(4):87-90.

[8] 劉承江，王永生，張志宏．噴水推進(jìn)器數(shù)值模擬所需流場控制體的研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2008,23(5):592-595．

[9] 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.

[10] 魏應(yīng)三，王永生.噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道不均勻度統(tǒng)一描述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(8):159-163.

[11] 丁江明.船舶噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能預(yù)報(bào)研究[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2009.