仿生學原理在進水流道結構設計中的應用

王永生，彭云龍，劉承江

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢430033)

0 引 言

仿生學研究不僅是模仿生物具體的自然結構，而是強調(diào)要充分利用在自然界中發(fā)現(xiàn)的特獨現(xiàn)象和功能［1］。所以最廣泛地運用類比或模擬方法是仿生學研究方法的精髓［2］。本研究利用類比或模擬方法來指導高速巡邏艇噴水推進器進水流道的結構設計，獲得了適合研究對象的流體性能優(yōu)良的進水流道。

噴水推進主要部件是進水流道和噴水推進泵［3］(簡稱噴泵)(見圖1)。進水流道為噴泵提供了從船底吸水、將作功介質(zhì)水流輸送至噴泵進口處的傳輸通道，噴泵把驅動軸傳遞給它的機械功通過葉輪做功和導葉整流變成作功介質(zhì)水流的壓能和動能［4］。高壓高速大流量的水流從噴泵噴口射出時的反作用力即為船舶推力。

圖1 噴水推進器的基本組成Fig.1 Components of waterjet

要保持噴水推進高效率，不僅進水流道內(nèi)的流動損失要小，噴泵效率要高，而且“船體-進水流道-噴泵”流體匹配性能要最佳。本文介紹用仿生學原理指導流體匹配性能最佳的適合于高速巡邏艇的進水流道的空間形狀(流體結構)設計。

1 研究對象及設計任務

設計任務是為某高速噴水推進巡邏快艇提供航速不低于80 km/h 的雙軸噴水推進系統(tǒng)。在該航速下噴水推進巡邏艇已處于滑行狀態(tài)，噴水推進器軸線已遠高于靜浮狀態(tài)時的水線。

依據(jù)船模試驗所得到的船體阻力、主機功率和轉速，運用艦船動力裝置和噴水推進原理，對噴水推進泵進行選型，得到設計航速時噴泵的選型參數(shù):流量、揚程、比轉速、汽蝕比轉速、噴速比、推進效率和預報航速。根據(jù)上述這些噴泵選型參數(shù)，運用三元理論進行噴泵的水動力設計(見圖2);依據(jù)船體設計提供型線和限制條件，如流道高度、流道長度，運用參數(shù)化設計方法，設計進水流道幾何結構(見圖3)。

圖2 用三元方法設計得到泵噴三維幾何結構Fig.2 Geometry of the pump designed by 3D method

圖3 用參數(shù)化方法設計的進水流道幾何Fig.3 Geometry of duct designed by parametric method

運用已被驗證的計算流體力學方法(CFD)數(shù)值計算了噴泵和進水流道的敞水性能，計算得到噴泵和進水流道的敞水效率分別為91.5%和96.1%。將噴泵和進水流道安裝于該巡邏艇船體上并對“船體-進水流道-噴泵”系統(tǒng)進行數(shù)字自航并使泵噴產(chǎn)生推力與船體阻力相等。對數(shù)值計算結果進行后處理以深入分析在設計航速、設計轉速時“船體-進水流道-噴泵”流場特點、水力性能和推進性能。圖4 為設計航速、設計轉速時進水流道和噴泵內(nèi)的流動情況。

2 問題分析及解決辦法

從圖4 可以看到，從圖右的船頭方向沿船底流至進水流道內(nèi)的水流，沒有充滿流道背部。從進水口進入進水流道的水流只沖到軸線高度后就進入了噴泵。由于流體沒有充滿整個進水流道，致使流道背部產(chǎn)生低壓區(qū)，流體流動不均勻并存在大量渦流，故流道流動損失顯著增大;又由于流量不足(遠低于設計流量)，故噴泵做功能力顯著下降，揚程、功率和推力遠小于設計值，快速性預報結果發(fā)現(xiàn)該船未達設計航速。

圖4 流道主流區(qū)曲線化截取Fig.4 Main stream area curve extraction

分析上述現(xiàn)象即水流未能充滿進水流道的原因，可以概括為3 點:1)進水流道軸線偏高;2)進水流道縱向長度偏短;3)流道背部形狀不適合航速為80 km/h 滑行艇的高速進流。該艇航速80 km/h時已處在滑行狀態(tài)，此時噴泵軸線高度已遠高于船靜浮狀態(tài)時的水線，且船體有3°左右的縱傾角，所以從船底前駐點到進水口之間的有效濕表面積的邊界層縱向長度很短，造成進水流道進水口處的進流幾乎無邊界層。換句話說，水流幾乎是直接沖入進水口的。由于進流速度很高，基于高速流動慣性的原因，又由于滑行狀態(tài)時進水流道軸線高出水面而進水流道縱向長度又偏短，故沖入進水口的水流無法或來不及在垂直方向充滿流道背部時就從流道出口流出了。所以，要增大流量提高流體做功能力的措施之一是降低流道高度，增大流道縱向長度。

第3 個原因即“流道背部形狀不適合高速進流”的問題如何解決呢?仔細觀察進水流道內(nèi)主體水流最上方流線形狀(圖4 中標注的a-b-c- d線)。從船頭駐點沿船底向后流動的水流，流入進水流道后，沿著流線a-b-c-d 的流動應該是該航速下流動距離最短、流動損失最小的流動軌跡。如果流道背部形狀和該流線一致，流道內(nèi)的流動有可能既使流體能充滿整個流道且流動損失可最小。

依據(jù)上述設想作者重新設計了進水流道并按以下步驟完成了進水流道背部形狀的類比設計或形狀模擬:1)在確定的坐標系中用曲線取點數(shù)字軟件完成了進水流道內(nèi)主體水流最上部的流線a-b-c-d 取值;2)確定步驟1 中背部形狀曲線的放大倍數(shù)等于進水流道出口截面頂部高度H/主體水流流出進水流道出口時的頂部流體高度h(見圖4)。該放大倍數(shù)的意義是在流道高度保持不變時增大流道長度且流道背部曲線按該船高速流體進入流道后的流線形狀來設計。

3 仿生流道水動力性能數(shù)值預報

本文用計算流體力學方法來預報利用仿生原理所得到的進水流道(簡稱仿生流道)的流體動力性能。為了說明所用CFD 數(shù)值方法的可信性，先用一個有驗證數(shù)據(jù)的“國外某噴泵+國外某進水流道”系統(tǒng)的流體性能數(shù)值計算結果的校驗來證明。然后用該CFD 方法分析國外某進水流道的敞水性能，仿生流道的敞水性能，以及“仿生流道+某巡邏艇噴泵”的推進性能。

3.1 “國外噴泵+國外進水流道”流體性能數(shù)值模擬

本校核對象為標稱直徑0.71 m 的國外某混流式噴水推進泵，包括葉輪、導葉和噴口三部分，葉輪葉片數(shù)6 片，導葉葉片數(shù)11 片，葉輪輪轂前與泵軸銜接處加有導流帽以改善進流平滑過渡。混流式噴水推進泵幾何如圖5所示。

圖5 某國外混流式噴水推進泵幾何形狀Fig.5 Geometry model of an overseas mixed waterjet pump

由于六面體網(wǎng)格具有較高的求解精度和較精細刻劃邊界層的優(yōu)勢，故采用全六面體網(wǎng)格對噴泵計算域進行網(wǎng)格劃分。葉輪和導葉的幾何結構是周期性的，所以劃分網(wǎng)格只需進行單通道［5］。葉輪和導葉幾何采用Ansys 中的專業(yè)旋轉機械網(wǎng)格劃分模塊TurboGrid 劃分，葉輪扭曲度較大采用J 型拓撲結構，導葉采用H 型拓撲結構，葉片附近用O-Grid 捕捉葉片表面邊界層(圖6 ～圖7)。該混流式噴水推進泵的總網(wǎng)格數(shù)為250 萬。

圖6 葉輪網(wǎng)格Fig.6 Mesh of rotor

圖7 導葉網(wǎng)格Fig.7 Mesh of stator

根據(jù)廠家提供幾何圖紙，對與該混流式噴水推進泵配套使用的進水流道進行幾何建模，并與噴泵裝配成整體的“噴水推進泵-進水流道-船體”流體系統(tǒng)以進行數(shù)字自航計算，本研究對艇體作了如下簡化:用平板代替船底。

對噴水推進器進行流場數(shù)值模擬，需要考慮來流速度和船底邊界層對進流的影響。通常用的方法是在流道進水口下方建立一個適當大小的區(qū)域模擬船底流場，根據(jù)經(jīng)驗一般長度為噴泵進口直徑20倍，寬度為10 倍，深度為8 倍［6］(見圖8)。

圖8 噴水推進器數(shù)值計算區(qū)域Fig.8 Numerical computational domain of waterjet

流道網(wǎng)格在ICEM 中劃分網(wǎng)格，對流動變化劇烈區(qū)域進行網(wǎng)格加密。近壁面處采用O-grid，一方面提高網(wǎng)格質(zhì)量，另一方面方便調(diào)整近壁面網(wǎng)格厚度以精確模擬近壁面流動。第一層網(wǎng)格厚度設置為0.2 mm，壁面Y+值保持在250 以內(nèi)以滿足湍流模型要求。流道網(wǎng)格如圖9所示。湍流模型與噴水推進泵裸泵數(shù)值計算一樣選取SST 模型，整個計算域網(wǎng)格總數(shù)353 萬。計算所得推力采用壁面積分法獲取，與廠商提供噴水推進器推力和功率比較結果見表1(進行歸一化處理)。誤差在工程允許范圍內(nèi)，證明本文所用數(shù)值模擬方法的可信性。

圖9 進水流道網(wǎng)格Fig.9 Mesh of waterjet duct

表1 推力計算值與噴泵制造廠商提供的數(shù)據(jù)的比較Tab.1 Comparison of calculation result and manufacture data

圖10 是噴水推進器在設計航速時噴泵和進水流道內(nèi)流線圖，進水流道內(nèi)流通順暢，無流動分離或漩渦。

圖10 設計航速時噴水推進器流線Fig.10 The streamline of waterjet at the design speed

3.2 國外某進水流道的敞水性能的數(shù)值計算

實際情況中，水流流過噴水推進器時由于水流粘性、變速變向、壁面摩擦等因素存在流動損失的(稱為流道損失)。而流動損失大小客觀反映了該流道性能的好壞，因此引入流道效率的概念。流道效率是衡量進水流道對來流能量利用程度的物理量，定義為流道出口面總能量與進流面總能量之比［7］:

式中:E1、E3分別為流道進流面和出口面的總能量。故流動損失的定義為ξ=(E1－E3)/E1。

流道流動特性另一個重要指標是流道出口不均勻度系數(shù)ξ，它的作用是評判進水流道出流(即噴泵進流)的不均勻度，其定義式為［8］:

式中:Q 為流道出口流量;u 為CFD 各流體單元出口處的軸向速度;為出口處的平均軸向速度。不均勻度ξ 越小，表示流道出流越均勻，流動性越好。

利用上述網(wǎng)格和數(shù)值計算模型對國外某流道進行敞水性能數(shù)值模擬，知該進水流道敞水效率93.2%，流道出口出流不均勻度0.26。圖11 為流道內(nèi)部流線圖，可以看到流道內(nèi)基本充滿且流動順暢無漩渦。

圖11 敞水流道流線圖Fig.11 The streamline of duct

3.3 仿生流道敞水性能數(shù)值計算及與國外流道對比

根據(jù)類比或模擬原理來設計的仿生流道，其網(wǎng)格如圖12所示。同樣用CFD 方法計算其流道敞水性能，與國外某流道敞水性能對比結果如表2，可見仿生流道敞水性能優(yōu)于從國外進口的進水流道，不論在流道效率或是出口不均勻度上都有顯著提高。

圖12 仿生流道網(wǎng)格Fig.12 The mesh of a bionicduct

表2 國外某與仿生流道性能對比Tab.2 Comparison of the overseas duct and the bionic duct

3.4 “艇+仿生流道+噴泵”流體數(shù)值計算及對比

將為某巡邏艇設計的噴泵與仿生流道安裝到某高速巡邏艇的實尺度數(shù)值模型上，進行數(shù)字自航以預報推進性能，并與原流道性能進行對比。建立控制域如圖13所示，整個計算域長度為7 倍船長，船頭前部1倍船長，船尾后5 倍船長，計算域寬度為2 倍船長。采用VOF 的方法來追蹤自由液面，湍流模型采用SST模型，對流項離散選用二階離散格式［9］。采用四面體和六面體網(wǎng)格對不同的區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，整體計算區(qū)域網(wǎng)格量總數(shù)為2.2 千萬。由于2 臺浸沒式噴水推進器布置相對船體中心面對稱，為減小計算時間，計算時只對一半結構進行流場計算。

表3 為同一噴泵兩型流道(原流道直徑D=0.5 m，流道高度H=0.577 m，流道長度L=2.5 m;現(xiàn)仿生流道直徑D=0.5 m，流道高度H=0.46 m，流道長度L=3.3 m)推進性能對比結果。由表中可知，仿生流道流量、功率、推力較原流道均有顯著增加，有利于實現(xiàn)噴泵設計的推進性能。

圖13 “船+噴泵+流道”計算控制域Fig.13 Whole computational domain of“hull-pump-duct”

表3 推進系統(tǒng)性能對比Tab.3 Propulsive properties of the original and the bionic duct

4 結 語

用常規(guī)設計方法為航速80 km/h 的某高速艇設計了敞水效率分別為91.5%和96.1%的噴泵和進水流道。將它們和艇體進行設計航速、設計轉速時的數(shù)字自航，發(fā)現(xiàn)進水流道和噴泵內(nèi)未能充滿水流，造成噴泵流量、揚程、功率和所產(chǎn)生的推力遠低于設計值。為什么部件性能均優(yōu)(艇體阻力小、噴泵效率高、流道流動損失小)但系統(tǒng)集成后推進性能反而不優(yōu)呢?究其原因，是它們的流場匹配性能不優(yōu)。具體是:流道高度過高、流道長度過短、流道背部形狀這三者不適用于高速進流。在降低流道高度、增大流道長度的同時，應用仿生學原理——類比或模擬方法——設計流道背部形狀以及它與船底的銜接，最終結果是噴水推進性能顯著改善:流量增加35%，功率增大55%，推力增大61%。總結本研究工作有2 點:1)在進行系統(tǒng)設計時，不僅追求部件性能優(yōu)良，更重要追求系統(tǒng)性能優(yōu)異。性能優(yōu)良的部件構成系統(tǒng)后并不能保證系統(tǒng)性能一定滿足要求，原因是系統(tǒng)部件之間的匹配性能至關重要。2)觀察和利用自然界中某些特殊流動現(xiàn)象，運用仿生學原理即類比或模擬方法來輔助性能優(yōu)良的進水流道形狀或結構設計，是一項有意義和實用價值的研究和工程應用。

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