噴水推進進口流道傾斜角對其效率影響分析

汲國瑞，蔡佑林，李　寧，尹曉輝，俞　瑜（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海　200011；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海　200011；3. 噴水推進重點實驗室，上海　200011 ）

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噴水推進進口流道傾斜角對其效率影響分析

汲國瑞1,2，蔡佑林2,3，李寧2,3，尹曉輝2,3，俞瑜2,3
（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200011；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海200011；3. 噴水推進重點實驗室，上海200011 ）

摘要:噴水推進進口流道特征參數較多，各參數之間相互聯系，當改變其中某個特征參數時，其他參數也會發生改變。本文通過推導得出各特征參數之間的關系，并以此為基礎，在給定進口流道特征直徑 D、流道高度H、流道總長度 L 的條件下，以流道傾斜角為變量，開展進口流道的設計和建模，借助 CFD 技術研究進口流道效率與流道傾斜角之間關系。研究結果表明，在一定范圍內進口流道效率會隨著流道傾斜角的增加而降低，但是下降幅度不大。這一重要結論對進口流道結構與水動力權衡設計有較強的指導意義。

關鍵詞：噴水推進；進口流道；傾斜角；效率

0　引　言

噴水推進是一種廣泛應用于中高速船舶、具有時代特征的先進推進方式，由以噴水推進器為核心的噴水推進裝置實現推進與操縱的雙重功能。噴水推進器[1]由進口流道、推進泵、噴口組成，進口流道水動力性能對整個推進系統的推進效率有很大影響[2]。進口流道設計的優劣不僅會直接影響流道的能量損失，也會對下游進入推進泵水流的均勻度與能量有明顯作用，會影響推進泵流場的穩定性和抗空泡性能。而描述進口流道的參數很多，且各參數之間相互聯系，改變其中一個參數其他參數也會相應的發生改變，這使得進口流道效率的研究很復雜，也是進口流道設計的難點。因此必須對進口流道各參數之間的關系以及進口流道傾斜角對效率的影響做研究，這將對工程設計有很好的指導意義。

1　進口流道傾斜角與其他特征參數之間的關系

描述噴水推進進口流道的主要參數如圖1 所示，共有 13 個。流道傾斜角 α 為進口流道軸線與船底板夾角。流道總長 L、流道高度 H、流道特征直徑 D 與裝置規格和布置安裝有關，在設計進口流道之前已經確定，設計時，這 3 個值保持不變。

圖1 中：L1為水平直管段長度；R1為背部圓弧彎管段半徑；L2為背部傾斜直管段長度；R2為背部與船底倒圓半徑；R1–D為下側圓弧彎管段半徑。L3為下側傾斜直管段長度；R3為唇口上部倒圓半徑；h為唇口上部倒圓圓心與船底垂直距離；R4為唇口下部倒圓半徑；L0為流道進口長度；

如圖2 所示（圖中虛線為輔助線），背部線型在水平方向上滿足

圖2　進口流道背部尺寸示意圖Fig. 2　The back dimensions of inlet duct

在豎直方向上滿足，

對于唇口部分如圖3 所示，同樣在豎直方向上滿足，

在圖4（a）中，點 E 為圓弧 R4與船底切點，點 B在點 E 豎直上方 h 處，A 為圓弧 R4圓心，C 為圓弧 R3圓心。在直角三角形 ABC 中滿足勾股定理，

圖3　唇口尺寸示意圖Fig. 3　The lip dimensions of inlet duct

圖4　唇口局部示意圖Fig. 4　The local dimensions of lip

從圖4（a）中可得出：

在圖4（b）中有

將式（5）、式（6）、式（7）代入到式（4）中可得：

式（1）、式（2）、式（3）、式（8）是 4 個獨立的方程，共包含 13 個參數，其中流道特征直徑 D、流道高度 H、流道總長度 L 這 3 個參數與船體總布置有關，當傾斜角 α 發生變化時，這3個參數保持不變，其余 9 個參數隨傾斜角變化。在研究流道傾斜角 α 對流道效率的影響時，理想的情況是只改變傾斜角 α，而剩下的其他 9 個參數都保持不變，但由以上推導的4 個獨立方程可知，當流道傾斜角 α 改變時，必須從剩下的 9 個參數中選取 4 個參數隨流道傾斜角 α 發生變化，其他 5 個參數保持不變。在這剩下的 9 個參數中 L1，L2，L3的改變對進口流道效率的影響較小，當流道傾斜角 α 改變時讓這 3 個參數隨之改變，那么還要在剩下的 6 個參數中選取第 4 個參數隨傾斜角 α 變化，這 6 個參數分別為 R1，R2，R3，R4，L0，h。

當第4個參數取 R1時，R2，R3，R4，L0，h 全都保持不變。將式（3）減去式（2）可以得到，

將式（1）和式（9）式代入式（8）可得：

從式（10）可以看出，如果第 4 個參數選 R1，D，R2，R3，R4，L0，h 都保持不變，則等式右邊的值也保持不變，當等式左側流道傾斜角 α 取不同的值時，等式左邊的值也會發生變化，顯然等式將不能成立，因此第 4 個參數不能取 R1，第 4 個參數將只能取R2，R3，R4，L0，h 這 5 個中的 1 個。

2　進口流道效率衡量準則

定義進口流道的效率為[3]，

式中：Ein為進口總能量；Eout為上出口總能量。第 24 屆 ITTC 噴水推進會議建議各截面能量公式為

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；u 為截面速度，m/s；p為截面壓強，pa；p0為大氣壓力，pa；g 為重力加速度，m/s2；x 為距離勢能參考面高度，m。

虛擬進口流道截面的形狀和位置沒有統一的規定，第 24 屆 ITTC 噴水推進專家委員會會議[4]建議虛擬進口流面的形狀為橢圓，即用橢圓擬合虛擬面的形狀，在擬合時為了保證質量守恒，虛擬橢圓面的流量必須與出口截面的流量相等。虛擬進口截面如果離實際進口太近會受到流動變形的影響，而如果距離實際進口太遠，又會使效率計算不準確，研究發現把虛擬進口流面的位置取在距離進口 1 D 的距離較好，本文也將虛擬流道截面位置取在距離實際進口 1 D 的位置。

3　實例計算

為研究流道傾斜角 α 發生變化時進口流道效率的變化規律，以中國船舶及海洋工程設計研究院某型噴水推進裝置進口流道為基礎，保持特征直徑 D、流道高度 H、流道總長度 L 不變，以流道傾斜角 α 為變量，該角依次取 22°，23°，24°，25°，26°，27°。根據1 節的分析結果，當流道傾斜角 α 發生改變時，隨之改變的 4 個參數可以分別取為以下 5 組：

1）L1，L2，L3，R3；2）L1，L2，L3，R2；

3）L1，L2，L3，R4；4）L1，L2，L3，h；

5）L1，L2，L3，L0。

當選第 1 組 4 個參數隨流道傾斜角 α 改變時，經計算，在傾斜角為 24°，25°，26°，27°時相應的 R3為復數，無物理意義。所以第 4 個參數依次取為 R2，R4，h，L0。表 1～表 4 為第 4 個參數分別選 R2，R4，h，L0時進口流道的參數。

表1　第 4 個參數為 R2時進口流道參數Tab. 1　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is R2

表2　第 4 個參數為 R4時進口流道參數Tab. 2　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is R4

當流道傾斜角變化時，4 個變量分別取第 2 ～ 5 組中的 4 個參數。除每組的 4 個參數和流道傾斜角 α 發生變化外，其他 8 個參數保持不變。然后在三維建模軟件 Pro/E 中建立進口流道三維模型。

3.1網格劃分

在進口流道建模時，計算流域范圍的長、寬、深分別取 30 D，10 D，8 D，其中 D 為進口流道特征直徑。

表3　第 4 個參數為 h 時進口流道參數Tab. 3　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is h

表4　第 4 個參數為 L0時進口流道參數Tab. 4　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is L0

在劃分網格時，要反映唇口的實際形狀很困難，如果采用結構網格和 O 型網格拓撲雖然可以提高網格的質量，但是在某些區域網格扭曲比較嚴重，會影響計算精度，因此決定采用非結構網格。非結構網格的缺點是不能很好的反應邊界層的流動，為解決這問題，可以在有邊界層的區域劃分三棱柱網格[5]，即在劃分網格時采用四面體和三棱柱混合的非結構網格，其中[6]y+取 60。

3.2湍流模型

計算時采用 RNG κ–ε 湍流模型[7]。與 Standard κ–ε湍流模型相比，RNG κ–ε 湍流模型修正了湍流粘度，考慮了流動中的旋轉，更適合計算彎曲程度較大的流動[8]。進口流道中的流體的流動彎曲比較大，采用該種湍流模型較合適。

3.3邊界條件

在進流處將邊界條件設為速度入口，且速度為船速；上出口設為流量出口；下出口設為壓力出口；船底和流道設為固壁；為進一步增加流域范圍，流域的底面和 2 個側面邊界條件設為對稱邊界。

3.4效率變化

通過在 Fluent 中求解，將進口流道的效率繪制成圖，如圖7 所示，其中圖例 “R2” 表示“第 4 個參數取R2”，圖例 R4，h，L0意義同上。

從圖7 的計算結果可以看出，第 4 個參數為 R2時，當傾斜角從 23° ～ 26° 變化時，流道效率基本沒有差別，26° 以后效率加速下降；第 4 個參數為 R4時，在傾斜角為 23° ～ 26° 區間內，效率下降較快，26° 以后趨于平穩；第 4 個參數為 h 時，在傾斜角為 23° ～26° 區間，效率一直降低；第 4 個參數為 L0時，在傾斜角為 23° ～ 26° 區間效率下降較慢，26° 以后效率下降加快。但是無論第 4 個參數選哪一個，不同流道傾斜角下，流道效率相差不超過 2%，且流道效率都在23° 時達到最大。

圖5　進口流道三維模型及流域Fig. 5　The 3D model and flow field of inlet duct

圖6　進口流道網格Fig. 6　The mesh of inlet duct

圖7　不同流道傾斜角下流道效率Fig. 7　The efficiency of inlet duct at different titling angle

4　結　語

本文推導并建立噴水推進進口流道各特征參數之間的內在聯系，隨后以某型噴水推進器進口流道和工作參數為基礎，以流道傾斜角為變量，應用參數之間的關系，建立多組模型，用CFD技術模擬進口流道流場，并計算流道效率，得出如下結論：

1）第 4 個參數選為 R2時，流道效率隨流道傾斜角的下降最小。

2）當流道傾斜角從 22° ～ 27° 之間改變時，第 4 個

參數選取不同，進口流道效率變化規律也不同，但流道效率都在 23° 時達到最大，當流道傾斜角從 23° ～27° 變化時，流道效率整體上都會隨著傾斜角的增加而減小。

3）流道傾斜角從 22° ～ 27° 改變時，無論第 4 個參數選哪一個，各傾斜角對應的流道效率最大差別不超過 2%，所以在實際的設計中，如果流道傾斜角不能取的太小，可以適當增加傾斜角而不會對流道效率有太大影響，有利于控制裝置長度與重量。

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Analysis about affect of inclination angle on the efficiency of the waterjet propulsion inlet duct

JI Guo-rui1,2, CAI You-lin2,3, LI Ning2,3, YIN Xiao-hui2,3, YU yu2, 3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. Key Laboratory of Waterjet Propulsion, Shanghai 200011, China)

Abstract:There are many feature parameters describing waterjet propulsion inlet duct and these parameters are related. When some dimensionischanged, the other ones are altered along with that. This paper concludes the relationship of these parameters through derivation. On the basis of that, in the condition that the inletduct feature diameter D, the height of duct H, the overall length of duct L are given, taking the duct inclination angle as variable, it designs and establishes models to research the relationship between inlet duct efficiency and inclinationangle through CFD technology. The result reveals that the inlet duct efficiency decreases with the rising of the inletduct inclination angle. However the decrease value is little. So to some extends, the inlet duct inclination angle has little affect on the inlet flow duct efficiency. This conclusion has great guiding significance in designing inlet duct.

Key words:Waterjet propulsion；Inlet duct；Inclination angle；Efficiency

作者簡介：汲國瑞(1990–)，男，碩士研究生，研究方向為噴水推進。

收稿日期：2015–08–24； 修回日期：2015–09–23

文章編號：1672–7619(2016)03–0055–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.012

中圖分類號：U664.34

文獻標識碼：A