噴水推進器進水流道流動性能的數值分析

吳 娜，王志東，呂紅皊，凌 杰，付 佳，李 洋

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

船用噴水推進系統具有體積小、負重載能力強、防護性能好、操縱靈活、淺水效應好等優點，被廣泛應用于現代各類高性能艦船［1］。噴水推進裝置中的推進泵大多數使用導葉式混流泵和軸流泵，通過對推進裝置中的進水流道、葉輪、導葉和噴口等參數的合理設計，可以極大地提高混流泵的運行穩定性。流體流經進水流道后約有7% ～9%的功率損失［2］，故在設計噴水推進器過程中選用相匹配的優良進水流道十分重要。

隨著CFD 技術的發展，各種計算流體動力學商業軟件在噴水推進器的設計與研究中得到了非常廣泛的應用。丁江明等［3－4］利用Fluent 軟件開展進水流道參數化設計方法研究，通過噴水推進器內部流場的模擬結果評估流道水動力性能;魏應三等［5］利用Fluent 軟件對噴水推進器進水管道進行優化設計，提高了噴水推進器進水管道效率。由于來流速度、負壓、船底邊界層都會對進水流道的進口動量和動能產生影響［6］，對進水流道進行水動力分析時，控制體應包括船尾底部進水口周圍區域的流場。劉承江等［7－8］對噴水推進器所需流場的控制體的大小進行研究，結果表明流場控制體體積、計算工況、轉速都會對推進系統的效率等計算結果產生影響。Chen 等［9］對S 形流道進行數值模擬，發現流道中心線曲率和壓力梯度會導致流道流場中二次流的出現，使得流道出流口處速度場及壓力場不均勻。

本文利用CFD 軟件Fluent，基于粘性RANS 方法數值模擬了高速混流泵進水流道的內部流場，分析了不同進水流道設計參數對流道性能的影響。

1 進水流道參數化設計

本文選用平進口進水流道，進水口形狀采用能很好利用來流動能的橢圓形進水口和矩形進水口的綜合體，如圖1 所示，圖中主要參數定義如下［3］:D為流道出流口的直徑即推進泵進口直徑;L 為流道的縱向總長;H 為流道出口中心線距離流道進口平面的垂直高度;L1為流道出口水平直管段長度;L2為流道彎管段和進水口與船體過渡段之間的直管上沿長度;L3為進水流道傾斜直管段下壁面長度;L4為唇部距離進水流道出流口水平距離;R1為流道彎管段中心圓弧半徑;R2為流道唇部圓弧半徑;R3為流道與船底過渡段上邊緣圓弧半徑即斜坡半徑;α 為流道的傾斜角;d 為葉輪軸直徑。

圖1 噴水推進器進水流道中縱剖面幾何參數圖Fig.1 Parameters of longitudinal section plane of the inlet duct in marine waterjet

流道進水口形狀對流道內流動性能影響較大，4種常用的進水口形狀，如圖2 所示。本文原始模型進水口形狀采用綜合形1。

圖2 常見進水口形狀Fig.2 Typical shapes of intake

圖3 為利用上述方法生成的三維噴水推進器進水流道。

圖3 進水流道三維模型Fig.3 3 －D configuration of inlet duct

2 進水流道計算區域及邊界條件

圖4 為噴水推進器進水流道數值計算區域及邊界條件。其中船底水流控制體的長、寬、高分別是推進泵進口直徑的20 倍、10 倍和8 倍。控制體來流面、兩側及底部設定為速度入口(velocity inlet)，控制體頂部為船底，設為固壁(wall)，控制體出流面設為壓力出口(pressure outlet);進水流道管壁及驅動軸設置為固壁(wall)，進水流道出口設置為壓力出口(pressure outlet)。本文根據推進泵的吸入真空度設置流道出口負壓值(大約在0.6 倍大氣壓)。計算工況定為2 種:一是出流口為負壓，約為Ht=－60 795 Pa;二是出流口壓力Ht=0 Pa。

圖4 進水流道計算區域及邊界條件Fig.4 Calculation domain and boundary conditions of the inlet duct

3 進水流道流動性能分析

3.1 流道傾斜角對進水流道流場的影響

3.1.1 傾斜角設計方案

一般情況下，進水流道傾角越小流道彎管損失越小，但在其他參數不變的情況下，流道的縱向總長度增加，流道的沿程損失亦增加，因此在原有模型傾斜角的基礎上增大或減小進水流道傾角都有可能得到最優傾斜角。計算工況共取9 種，傾斜角α=35°，32°，30°，28°，26°，25°，24°，22°，20°。通過分析進水流道出口的速度均勻度、流道效率、能量損失等，確定最佳流道傾斜角。

3.1.2 傾斜角對流道出口速度的影響

表1 為不同傾角進水流道出流口速度的數值計算結果，其中Ht為吸入真空度?？梢钥闯觯瑢τ谙嗤牧鞯纼A角，由于負壓的存在，出流口的流體克服重力被進水流道抽吸，具有比較高的速度。有負壓情況下出口單位體積流體的能量減去沒有負壓情況下出口單位體積流體的能量認為是推進泵的吸入真空度對流經流道流體所做的有用功。

表1 不同傾角進水流道的出流口速度Tab.1 Outlet velocity of the inlet duct under different duct angles

3.1.3 流道傾角對流道效率的影響

進水流道對吸入真空度Ht的利用率η 即進水流道效率，是選擇最優進水流道的重要參考依據之一。在其他條件相同的情況下，流體流經流道損失的能量越少，對泵吸入真空度的利用率越高，推進泵的出口速度越大，說明流道設計越優良。流道效率計算公式為

式中:Ht為泵提供的吸入真空度;H1為進水流道進口與出口的高度差;v2為計算模型在負壓存在情況下流道出流口的速度;v1為計算模型在無負壓情況下流道出流口處的速度;Hξ為流道能量水頭損失。式中Ht和H1為定值，要使流道效率達到最高，則需達到最大值。

圖5 給出了不同傾角進水流道的流道效率，其中Total 表示總流道效率，X －direction 表示只考慮X方向速度時的效率，根據已有文獻的數值模擬結果可知，流道的傾角越大，圓弧彎管處的局部能量損失越大。已知流道的縱向長度隨著流道傾角的增大而減小，流道的沿程損失必然降低。圖中流道對泵吸入真空度的利用率η 隨著進水流道傾角α 的增大而增加，總利用率最高達到94%左右，其中X 方向最大的有效利用率為93%左右，說明此時由于傾角增加而減少的沿程損失遠大于局部能量增加值。當流道傾角大于32°左右時，隨著傾角的增加，X 方向的有效利用率反而降低，此時由于傾角增加而減少的沿程損失開始小于局部能量的增加值。因此本文選取進水流道傾角為32°，流道效率η 達到最優值。

圖5 不同傾角的進水流道效率Fig.5 Efficiency of the inlet duct under different inlet duct angles

3.1.4 流道傾角對加權平均角的影響

加權平均角是描述出流口速度的垂直度。出流口出流速度與出流截面間的夾角越接近90°，進水流道水力性能越優越。現引入加權平均角θ 的定義:

式中，uai為出口截面第i 個單元x 方向上的速度;uti為出口的合成速度。

圖6 給出了流道傾斜角對加權平均角的影響，可以看出，進水流道的傾角α 對加權平均角θ 的影響很小，加權角平均角的波動范圍在83°～86°之間，波動幅度不明顯。當選取流道傾角為32°時，流道的加權平均角約為84.3°，具有較佳的流動性能。

圖6 流道傾斜角對加權平均角的影響Fig.6 Effect of inlet duct angle to weighted average angle

3.1.5 進水流道傾角對流動不均勻系數的影響

引入參數不均勻系數ξ 來衡量出口速度的不均勻性，其定義為:

式中:Q 為出口橫截面的體積流量;ua為出口橫截面dAx 方向上的速度分量;U 為出口截面上的平均速度;ξ 為定量分析出口截面上的速度不均勻程度，其值越小流道出口截面上的速度分布越均勻。

圖7 給出了傾角對流道不均勻系數的影響，可以看出，隨著流道傾斜角α 的增大流道不均勻系數ξ 增大，在進水流道傾角區間為20° ～35°時，流道的不均勻系數ξ 在0.085 ～0.2 之間，船尾空間狹窄，在流道高度不變的前提下，流道的傾角越小，流道縱向的長度勢必會增加，故傾角不能過小，當進水流道傾斜角取32°時，不均勻系數為0.18，具有較佳的流動性能。

圖7 傾角對流道不均勻系數的影響Fig.7 Influence of inlet duct angle to the velocity unevenness coefficient

3.2 唇角對進水流道流場影響

3.2.1 唇角設計方案

進水口的唇部易發生回流現象，能量損失增大，唇角半徑和唇角的形狀對進水流道的水力性能影響較大，因此改進唇角，可以提高流道效率。設定2 種唇部形狀方案:一種是圓弧;另一種是拋物線。計算工況共8 種，唇角半徑R2=0 mm，1 mm，3 mm，10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm。

3.2.2 唇部對進水流道效率的影響

圖8 給出了不同唇角半徑的進水流道效率，其中，Total 表示總效率，X －Direction 只考慮X 方向速度的效率，1 表示圓弧形唇角，2 表示拋物線唇角。從圖中可以看出，隨著唇角半徑的增大，進水流道效率η 降低;當唇角半徑相同時，圓弧形唇角比拋物線形唇角的效率高。選取唇角為圓弧形，半徑為3 mm，效率η 可以達到93%，具有較佳的流體性能。

圖8 不同唇角半徑的進水流道效率Fig.8 Efficiency of inlet duct under different lip radius

3.2.4 唇角對渦量的影響

唇角處的壓力大，易產生漩渦，漩渦會降低進水流道的效率，且會對出流口流動的均勻程度產生不利影響，使得葉輪震動加劇，影響整個推進器的性能。圖9 給出了唇角形狀及半徑對渦量的影響，可以看出:唇角越尖銳，即唇角半徑越小，唇部的渦量值越大，流道的能量損失越大;在相同的唇角形狀的情況下，隨著唇角半徑的增大最低中心渦量的位置向上移動，因為在唇部發生了流動分離現象，低壓區下移，高壓區下移，唇部的駐點位置向下移動。唇角半徑取3 mm 時，圓弧形唇角優于拋物線形唇角。

圖9 唇角對渦量的影響Fig.9 Effect of vorticity magnitude under different lips

3.3 斜坡半徑對進水流道流場影響

3.3.1 斜坡設計方案

流道和船體過渡段的背部稱為斜坡，連接著船體和進水流道傾斜直管段。為了能更好利用來流的動能，本文在保證進水流道長、寬、高等參數不變的情況下，計算工況共取7 種，斜坡半徑R3=1 200 mm，1 100 mm，1 050 mm，1 000 mm，950 mm，900 mm，800 mm。

3.3.2 斜坡對進水流道效率的影響

表2 為斜坡半徑相對應的坡角β 及傾斜直管段長度L2的值。

表2 斜坡半徑和坡角Tab.2 Radius and angle of the ramp

圖10 是在航速40 kn，不同斜坡半徑下進水流道的效率?？梢钥闯隽鞯佬师?隨著斜坡半徑R3的增大先增加后減小，流道對泵吸入真空度的利用率存在最大值，其總效率約為94.2%，有效利用率約為93%，進水流道在斜坡半徑區間為1 050 ～1 100 mm時，能量損失最小，進水流道的水力性能最佳。流道的斜坡半徑為1 100 mm 時，雖然流道的總效率最高，但是其有效利用率反而降低，故選取斜坡半徑為1 050mm，流道效率最優。

圖10 不同斜坡半徑下的流道的效率Fig.10 Efficient of inlet duct on different ramp radius

結合表2，在保證其他參數不變的前提下，隨著斜坡半徑的增加，坡角β 和傾斜直管段長度L2減小，喉部以下的體積增大，入口速度降低，故斜坡半徑取1 050 mm。

3.3.3 斜坡半徑對加權平均角的影響

圖11 斜坡半徑對加權平均角的影響Fig.11 Effect of ramp radius to weighted average angle

圖11 給出了斜坡半徑對加權平均角的影響，可以看出負壓Hi=60 795 Pa 時，進水流道的斜坡半徑對加權平均角的影響很小;在負壓Ht=0 Pa 時，加權平均角隨著流道的斜坡半徑增加而增大。

結合斜坡半徑對流道效率、加權平均角等的影響，本文最終取斜坡半徑1 050 mm，流道性能達到最佳。

4 結 語

本文針對原始進水流道的參數，通過調整局部參數——流道傾斜角、唇角半徑、唇角形狀和斜坡半徑，建立優選方案并進行數值模擬。通過對流道效率η，出流面加權平均角θ 和不均勻系數ξ 的計算與分析，得出以下結論:進水流道效率受流道縱向長度的影響很大，流道傾斜角越小，流道出流口速度越均勻，加權平均角越大，所以流道的傾斜角應適量減小;圓弧唇角的流體動力特性優于拋物線唇角，唇角應適量尖銳;當進水流道傾斜角取32°、唇角形狀取圓弧、唇角半徑取3 mm、斜坡半徑取1 050 mm、其余參數與原始進水流道的整體參數相同時，進水流道的效率達到94.2%，優于原始進水流道80.4%的效率。

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