混流式噴水推進泵臺架試驗

靳栓寶，王永生

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

運動和相互作用，隨著數值計算方法的發展和計算機技術的提高，水力機械三維湍流的數值模擬也越來越精確，其為準確地預測水力機械流體動力學性能奠定了技術基礎，也在水力機械的研究、設計開發、優化中得到了廣泛應用［1-4］。近年來，計算流體力學(CFD)已越來越多地應用于指導噴水推進器設計。國外噴水推進器主要生產廠家，如英國的Rolls-Royce公司、芬蘭的W?rtsil?公司、瑞典的 MJP公司等越來越多地借助計算流體力學手段設計新型噴水推進器，其產品開發速度和質量均取得了很大的成功［5-9］。

文獻［10］中運用三元不考慮粘性的反問題計算與全三維考慮粘性的正問題計算相互迭代的方法對某混流式噴水推進泵進行設計，將滿足性能指標的混流泵葉輪和導葉水力模型進行了加工。作為泵主要做功部件的葉輪對泵整體性能起決定作用，但其葉片復雜三維幾何的加工精度和質量如何，無法用直觀的方法判斷。為此，對加工后的混流泵葉輪進行臺架試驗和相應的數值試驗，以驗證其加工質量。最后，對該混流泵裝船后性能進行了快速性預報和實船試航。

1 混流泵臺架試驗及其數值模擬

1.1 計算對象

圖1為該混流泵臺架試驗的管路圖，主要部件為混流泵、進水流道和推進電機。為保證流道的有效抽水，在進水流道前增加了進口段，其由進水流道進口不規則的形狀逐漸過渡到圓形直筒;為了對混流泵流量的控制以及對泵出口壓力的有效測量，泵的出口設置了閘閥和一段較長的出口段，流量的大小通過閘閥的開度控制，并通過電磁流量計獲得其讀數。該臺架試驗的主要測試目標是獲得該混流式噴水推進器(包括混流泵和進水流道)的揚程和功率，進而可以推算其效率。按照揚程的定義，兩測壓點的揚程等于這兩點的壓頭差、速度頭差、勢頭差之和。為了測試數據讀數的穩定性，測壓點要選擇在流動較為均勻的截面，進而該點的速度可以通過所在截面的流量面積平均的方法獲得。這樣壓頭差可以通過真空表測試測壓點的的壓力值獲得，速度頭差可以通過測壓點所在截面的流量面積平均獲得，勢頭直接通過測試兩測壓點的豎直高度差獲得。為了獲得有效的測壓點及測壓截面，將進口測壓點布置在進口段的流動較為均勻的圓筒內，出口的測壓點選擇在泵出口較遠的直管端。整個測試過程電機轉速不變，通過改變閘閥的開度大小來改變泵的流量，進而得到該轉速下不同流量時噴水推進器特性曲線，其他轉速的特性曲線可以通過相似換算獲得。

根據圖1臺架試驗管路及噴水推進器幾何圖紙利用CAD軟件(UG)構造該臺架試驗幾何模型，如圖2所示，其主要由3部分組成:進口段、出口段、混流泵及其進水流道。

圖1 臺架試驗管路示意圖Fig.1 The bench test of the new waterjet

圖2 臺架試驗數值計算模型Fig.2 The CAD model of the bentch test

1.2 數值模型

應用不可壓縮的三維N-S方程模擬混流泵流體性能，采用有限體積法離散控制方程，對流項采用一階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式，基于SIMPLEC算法實現速度和壓力之間的耦合求解。

1.2.1 數值模型

采用SST湍流模型進行計算求解，該模型考慮了剪切應力的輸運，既能對各種來流進行準確的預測，還能在各種壓力梯度下精確模擬分離流、漩渦流等現象，其融合了k-ε和k-ω兩種湍流模型，在自由流動區域使用k-ε模式，而在近壁面區域(y+＜2.5)使用k-ω模型中的低雷諾數公式，兩者之間通過混合函數來過渡，這樣可以不需要使用壁面函數，能夠較好地模擬粘性底層的流動［11］。

湍動能方程:

湍流耗散率方程:

SST模型中各系數是k-ε模型和k-ω模型中相應系數的線性組合，即ΦSST=F1Φkω+(1-F1)Φkε。模型中封閉系數選取如下，各系數取值為:

1.2.2 網格劃分

混流泵各區域均采用六面體結構化網格進行離散，如圖3所示。葉輪和導葉體分別采用了J型和H型拓撲結構，葉片附近采用O型網格進行加密。計算得到所有壁面y+小于100，滿足該求解器使用SST湍流模型對壁面流動模擬的要求，葉輪和導葉的全通道網格節點數約210萬，整個計算域網格網格節點約350萬。

圖3 噴泵葉片表面和流道表面網格Fig.3 Themesh distribution of the bentch testmodel

1.2.3 邊界條件設置

根據混流泵臺架試驗實際流動的控制方式，將臺架試驗數值模型的邊界條件設為總壓進口和流量出口，基于穩態多參考系方法處理旋轉葉輪區與靜止導葉區及進流區的數據傳遞問題，葉輪的葉片和輪轂設為相對靜止無滑移壁面條件，葉輪輪緣和進流區、導葉區及出流區以及試驗管路各壁面均設為絕對靜止無滑移壁面條件。

1.3 計算結果分析

臺架試驗模型的非定常計算分兩步進行:首先進行臺架試驗模型的定常計算，然后將定常計算結果作為非定常計算的初始值，以提高非定常計算時的收斂速度和穩定性。為了充分捕捉混流泵內部非定常流動特性，設非定常數值模擬過程中物理時間步長等于葉輪旋轉周期的1/360，總時間取為葉輪旋轉周期的8倍［12］，混流式噴水推進器的揚程和功率通過將非定常計算穩定后的若干個周期內監控的功率和揚程值取平均的方法獲得。

圖4和圖5顯示了臺架試驗中3次實測的該混流式噴水推進器揚程和功率數據與數值計算結果的對比，其中Qd表示設計流量，Hd和Pd表示在設計流量下，3次實測混流泵揚程和功率的平均值。在設計流量下，揚程的誤差為1.3%，功率的誤差2.3%，在整個計算流量范圍內揚程和功率的最大誤差小于4%，驗證混流泵葉輪的數控加工滿足要求。

圖4 混流泵的揚程特性曲線Fig.4 Head performance of mixed-flow pump

圖5 混流泵的功率特性曲線Fig.5 Power performance of mixed-flow pump

2 混流泵裝船后性能數值計算及實船試航

完成噴泵和流道的設計后，首先采用數值計算的方法來預報該船的航速，“混流式噴水泵+進水流道+船體”計算域和邊界條件設置如圖6。在噴泵最高轉速時，將不同航速下計算得到的噴水推進器所能提供的凈推力曲線和艇體曲線疊加，通過兩曲線的交點來預報船的航速，如圖7所示。數值預報得到新設計的混流式噴水推進器可達到的最高航速超過設計航速10.9%。為進一步驗證所設計的噴水推進器裝船后性能，對其進行了實船試航，得到該推進器所能推進的最高航速超過設計航速9.4%，該結果說明了所設計泵的優異性能。另外，數值預報航速和實船試航航速誤差在1.5%左右，也驗證了數值模型的準確性和數值計算方法的有效性。

圖6 “混流式噴水泵+進水流道+船體”計算域Fig.6 Calculation domain of the“pump+duct+hull”

圖7 “混流式噴水泵+進水流道+船體”快速性預報Fig.7 Ship speed prediction of the"mixed flow pump+inlet duct+hull"system

3 結論

本文驗證了數值模型的準確性，也間接說明了該混流泵加工制造精度滿足要求。對該混流泵裝船后性能進行了數值計算和實船試航，試航結果表明新設計混流泵的推進航速超過設計航速9.4%，并且數值預報航速與試航結果誤差為1.5%，進一步驗證了本文數值模型的有效性，也說明了利用臺架試驗與數值模擬相結合的方法指導和檢查混流式噴水推進泵葉輪加工制造精度，以及采用實船試航與數值試驗相結合的方法檢驗推進器裝船后性能的可行性。

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