噴口軸向長度對噴水推進器性能影響的研究

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(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

噴水推進是利用噴水推進泵內的葉輪對水做功，經導葉整流后，高速水流從噴口噴出，從而獲得推力的一種新型船舶推進方式。它具有高航速時推進效率高、不易空化、水下輻射噪聲低、船舶操縱性優和機動性能好等諸多常規螺旋槳所不能比擬的特點，并依托這些優良特性在高速高性能船舶領域得到廣泛應用[1-3]。對于船舶來說，最適合的噴水推進器都是單獨設計的，但為了降低設計和制造成本,噴水推進供應商普遍采用了產品系列化的技術進行了批量生產。世界著名的噴水推進裝置生產商KaMeWa、Lips、MJP和Hamilton等的共同點是:噴水推進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裝置的規格系列,有的以泵進口直徑的厘米數(cm)命名,如KaMeWa和Lips公司; 有的公司以進口直徑的毫米數(mm)命名,如MJP公司。

三元設計方法的引入和計算流體力學的發展使得船舶噴水推進器的設計和優化變得更加的方便和精益求精了。噴口作為噴水推進器的一個重要組成部分，它在推進器尾部的幾何收縮可以將導葉器的出流壓能進一步轉化為動能，以更高的速度向船后噴出，從而獲得更大的推力；噴口的直徑是設計者在考慮船舶的性能之后，通過最佳噴速比來確定的，但噴口的軸向長度則需要設計者根據經驗來確定。由于噴口流體流速極高，且壁面摩擦等因素的影響，過長的噴口會產生較大的摩擦損失，整個推進器所產生的推力就會降低；過短的噴口又不容易將其內水流整為軸向，因此推力也會減小。因此，找到合適的噴口軸向長度對噴泵的設計者顯得尤為重要。目前國外的噴口設計可以將流量損失降到1%以下，而國內對噴口長度的相關研究較少[4-10]。為了探索噴口軸向長度對噴水推進器整流效果和效率的影響，提高噴水推進器的推進性能以及為設計者提供一定的參考，運用CFD方法，通過改變某噴泵噴口的軸向長度，研究不同軸向長度對噴口出流的不均勻度、噴射效率以及泵所產生的推力影響。

1 控制方程與方法驗證

1.1 控制方程

利用基于中心節點控制和有限體積法的計算流體力學程序來求解RANS方程，選擇SST模式對湍流進行模擬，不可壓粘性流體數值求解的控制方程如下。

(1)

(2)

式中：fi——質量力；

μ——流體動力粘性系數；

μi——湍流動力粘性系數。

1.2 數值方法驗證

在對混流泵不同噴口長度下數值計算前，對國外的某型混流泵進行數值模擬，以驗證文中所用方法和模型的可信性。

該泵的葉輪進口直徑為710 mm,有6個葉片和11個導葉，其幾何模型見圖1。

圖1 KaMeWa71SII幾何模型

該噴泵流體性能數值計算的幾何分為噴口、導葉、葉輪以及為計算敞水性能所添加的進口直管。噴口和進口直管都采用ICEM軟件，劃分六面體網格，近壁面處網格進行了加密，以保證捕捉到邊界層。導葉和葉輪采用TurboGrid軟件劃分六面體網格，葉頂間隙處設置10層網格。在網格數量選擇上，對葉輪在880 r/min工況下的流量進行網格無關性驗證，計算結果見圖2。

圖2 流量與網格數量的網格無關性圖

從圖2中可以看出，葉輪網格至少需要70萬，才能保證計算結果的準確性。在計算的過程中權衡了計算速度和對流場流動細節的有效捕捉兩個方面，對不同的部件使用了不同的網格。表1中各個部件的Y+反映了部件表面的邊界層情況，根據幫助文件要求，以小于200為準。

表1 各部件網格數

邊界條件設定為總壓進口，靜壓出口。時間步長設為物理時間1/ω，其中ω為葉輪轉速，(°)/s。計算孤立泵轉速在700～1 200 r/min下功率的變化情況。

計算結果見表2。試驗數據已經做了不同轉速下的歸一處理。對比可以看出，計算值與廠商提供數據相對誤差均在3%以內，滿足工程要求。說明該方法計算水動力特性是可信的，也為接下來的噴口改進工作提供了實際支撐。

表2 KaMeWa71SⅡ軸功率計算結果

2 CFD數值計算

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

以KaMeWa71SII混流式噴水推進泵為對象，以其導葉輪轂處尖角至噴口出口處的長度為噴口的軸向長度(251.6 mm)，以依次增加或減少原噴口長度的10%(25 mm)為標準，對其噴口進行系列化改變，計算比較噴泵的敞水性能。

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

圖3 噴口輪廓線示意

圖4 不同長度的噴口

2.1 網格劃分

采用結構化網格進行區域空間離散，對進流管和噴口壁面附近網格加密以較好地模擬壁面附近流動。葉輪單通道節點數為15萬，導葉單通道為10萬。葉輪扭曲度較大使用J型拓撲結構，導葉采用H型拓撲結構。其中，葉片和導葉附近都采用了O型網格。各部件網格見圖5。

圖5 各部件網格

整個流場控制體總共采用了約310萬個網格單元，Y+控制在30以內，不同軸向尺寸的噴口，根據噴口的長短對其節點進行控制，保證不同噴口中網格單元的大小差別不大，減小了因為網格的疏密造成的誤差。

2.2 邊界條件

對噴水推進泵孤立泵水力性能進行計算時，為保證均勻進流，在葉輪進口前加進流直管段，其直徑為葉輪進口直徑，長度為2倍直徑。噴水推進器的進口設為總壓進口，出口設為靜壓出口，推進器的轉速設為常用工況900 r/min。

2.3 計算方法

噴水推進系統的流場區域采用穩態多參考系(MRF)方法進行計算，葉輪內的流場采用旋轉坐標系計算，導葉體和流道內的流場采用固定坐標系進行計算。采用全隱式多網格耦合求解技術，聯立求解連續方程和RANS方程，然后求解湍流方程。

3 CFD計算結果及分析

根據上述方法，對不同噴口的噴水推進器內流場進行數值計算，結果見圖6、7、8。

圖6 噴口長度和揚程關系示意

圖7 噴口長度和泵效率關系示意

圖8 噴口長度和推力關系示意

分析發現，隨著噴口軸向長度的增加，泵的揚程降低，泵效率也逐漸降低，這是因為噴口軸向長度增加之后，壁面摩擦阻力增加，流量減小，揚程降低，使得水力功率降低，進而使泵的效率下降。

分析還發現，隨著噴口軸向長度的增加，敞水泵的推力是先增加后減小，在251.6 mm，即泵進口直徑的35%左右時，推力值達到最大。分析認為噴口的主要作用在于整流的同時，將導葉體出流的壓力能進一步轉化為動能，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化為動力能，產生的推力就小；噴口太長，液體的壓力能雖然能夠充分地轉化為動力能，但噴口太長會引起壁面摩擦阻力增加，出口流量減小，產生的推力也會變小。

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

4 結論

通過計算流體力學的方法，運用CFX軟件對71SII在不同噴口尺寸下噴泵的水力性能進行數值計算和分析發現：噴口的長度增加時，噴口的揚程不斷降低，效率會不斷減小泵的推力呈現先增大后減小趨勢；當噴口長度達到35%的葉輪進口直徑時，推力最大。這對于噴水推進器性能改進過程中噴口的優化提供了一定的參考依據。

本文對混流泵的最佳噴口長度進行了計算分析，其推力在326.6 mm左右時，趨勢不是特別好，還需要進一步研究。另外，對于軸流泵噴口的設計以及噴口和導葉出口處輪轂的匹配，還需要進一步計算。

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