混流式噴水推進泵壓力脈動數(shù)值分析

王名揚，徐增丙，林 輝，王志剛

（1.武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430081；2.中國船舶工業(yè)集團公司第708研究所，上海 200011）

0 引言

噴水推進技術(shù)利用噴射水流產(chǎn)生反作用力廣泛用于現(xiàn)代高速船上，是近年來發(fā)展迅速的一種推進方法［1-5］。推進泵內(nèi)部流動復(fù)雜，當推進泵運行時會發(fā)生壓力脈動，壓力脈動的最大危害是增加設(shè)備的振動，即水力激振，這在某些情況下還可能引起進一步的局部氣蝕，甚至引起共振［6］，為了提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性，研究混流式噴水推進泵的內(nèi)部壓力脈動尤為重要。

國內(nèi)外的專家基本一直在使用數(shù)值計算方法對離心泵和軸流泵［7-10］的非定常流場進行研究。王雪豹等［11-12］利用CFD的方法分析了對旋軸流式噴水推進器的壓力脈動特性，并且通過不同航速下與設(shè)計工況下的壓力脈動，得出在航速對推進泵的影響。韓偉等［13］利用CFD軟件對螺旋混流式噴水推進泵進行了多工況壓力脈動數(shù)值模擬分析，其研究結(jié)果對于提高設(shè)備運行穩(wěn)定性有較大幫助。靳栓寶等對混流泵內(nèi)部變轉(zhuǎn)速下壓力脈動進行了分析，得出轉(zhuǎn)速對混流泵壓力脈動的影響［14-18］。雖然前人對推進泵內(nèi)部壓力脈動進行了相關(guān)研究，但對于混流式噴水推進泵的壓力脈動分析的研究還相對匱乏。

通過對混流式噴水推進泵流道進行三維非定常數(shù)值模擬，分析了不同工況下（小流量工況0.6Q、設(shè)計工況Q、大流量工況1.3Q）混流式噴水推進泵不同位置靜壓分布及壓力脈動情況，為提高混流式噴水推進泵設(shè)備運行穩(wěn)定性提供了參考。

1 計算模型與邊界條件

1.1 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本文研究的混流式噴水推進泵設(shè)計流量Q=2.53 m3/s、設(shè)計揚程 H=25.6 m、轉(zhuǎn)速 n=1 000 r/min、葉片數(shù)Z1=6片、導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=11片。流道整體如圖1所示，為保證進出水流的均勻性，將進水彎管簡化成直管，并對泵的進出口段作適當?shù)匮由臁?/p>

圖1 噴水推進泵數(shù)值計算域Fig.1 Numerical calculation domain of waterjet propulsion pump

采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對混流式噴水推進泵數(shù)值計算區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對流動劇烈變化的區(qū)域葉輪及導(dǎo)葉部分進行適當加密如圖2所示。通過驗證網(wǎng)格的獨立性，當網(wǎng)格數(shù)大于250萬時混流式噴水推進泵的揚程和效率受網(wǎng)格的變化影響較少（見表1）。最終確定網(wǎng)格劃分方案：進口延伸段約40萬、葉輪約90萬、導(dǎo)葉約90萬、出口段約30萬，共計約250萬網(wǎng)格單元，質(zhì)量均在0.4以上。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性分析Tab.1 Grid independence analysis

圖2 計算域網(wǎng)格Fig.2 Computational domain grids

通過對10種工況下混流式噴水推進泵的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬得到其性能曲線如圖3所示，在設(shè)計工況下，混流式噴水推進泵效率達到最大值約為75%對應(yīng)的揚程為25.64 m。由圖3可以看出，混流式噴水推進泵穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與泵的主要設(shè)計要求基本一致，因此該計算模型可以較準確預(yù)測推進泵的水力性能。

圖3 混流式噴水推進泵外特性曲線Fig.3 External characteristic curve of mixed-flow waterjet propulsion pump

1.2 計算方法及邊界條件

在軟件分析過程中，選取SST湍流模型，設(shè)定收斂精度為10-5。進出口邊界條件分別定義為質(zhì)量流量進口和靜壓出口，壁面采用無滑移邊界條件。為增強計算的穩(wěn)定性及收斂速度，將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算的結(jié)果作為瞬態(tài)數(shù)值計算的初始條件。葉輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，設(shè)置時間步長0.000 5 s，每個時間步葉輪旋轉(zhuǎn)3°，其旋轉(zhuǎn)一周需要120步，采樣時間控制在6個周期共0.36 s，由于前幾個周期壓力場尚未穩(wěn)定，選取葉輪旋轉(zhuǎn)較穩(wěn)定的第6個周期對其進行數(shù)據(jù)分析，保證結(jié)果的可靠性。

1.3 監(jiān)測點布置

為研究混流式噴水推進泵內(nèi)部瞬態(tài)流動特性，在其主要過流部件截面上設(shè)置沿徑向排列的監(jiān)測點，葉輪進口截面上的監(jiān)測點分別為A1，A2，A3，A4，A5，葉輪出口截面上監(jiān)測點分別為B1，B2，B3，B4，B5，導(dǎo)葉進口截面上監(jiān)測點分別為 C1，C2，C3，C4，C5，導(dǎo)葉中間截面上監(jiān)測點分別為 D1，D2，D3，D4，D5，導(dǎo)葉出口截面監(jiān)測點分別為 E1，E2，E3，E4，E5，各監(jiān)測點具體布置如圖 4所示。

圖4 壓力脈動監(jiān)測點布置Fig.4 Layout of pressure pulsation monitoring points

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.1 設(shè)計工況下壓力脈動時域分析

通過數(shù)值模擬得到泵內(nèi)5個截面上共25個點的壓力脈動情況，圖5（a）～（j）分別給出了設(shè)計工況下沿徑向均勻布置的葉輪進口、葉輪出口、導(dǎo)葉進口、導(dǎo)葉中部和導(dǎo)葉出口5個截面上各監(jiān)測點的壓力脈動信息。

圖5（a）～（e）中橫坐標代表葉輪旋轉(zhuǎn)的最后一個周期，縱坐標為各點的瞬時靜壓值；圖5（f）～（j）中橫坐標代表監(jiān)測點半徑，縱坐標為各點的靜壓波動均值。葉輪進口截面各監(jiān)測點在葉輪一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，出現(xiàn)6次波峰波谷且波形基本一致，這主要是因為葉輪的6個葉片周期性的對流體做工，引起流體產(chǎn)生了對應(yīng)葉片數(shù)的周期波動；各監(jiān)測點靜壓波動均值為負值，這是因為葉輪轉(zhuǎn)動改變流體運動方向，葉輪葉片工作面與背面之間產(chǎn)生強烈壓差，使得葉輪進口截面上存在較大的負壓，靜壓波動均值隨監(jiān)測點半徑的增大其絕對值越大。

圖5 壓力脈動時域與靜壓波動均值Fig.5 Time domain diagram of pressure pulsation and mean value diagram of static pressure fluctuation

葉輪出口截面上各監(jiān)測點壓力脈動規(guī)律明顯且存在的壓力梯度，靜壓波動均值隨監(jiān)測點半徑的增大逐漸變大，且靜壓波動均值較葉輪進口截面提高。導(dǎo)葉進口及導(dǎo)葉中間截面上各監(jiān)測點壓力脈動與葉輪出口相似，但由于導(dǎo)葉的整流作用，壓力脈動減弱且靜壓波動均值較葉輪出口截面明顯降低。導(dǎo)葉出口截面上各監(jiān)測點壓力脈動明顯減弱，各監(jiān)測點靜壓波動均值隨監(jiān)測點半徑的增大呈減小趨勢。

2.2 設(shè)計工況下壓力脈動頻域分析

對混流式噴水推進泵各監(jiān)測點壓力脈動時域信息進行快速傅里葉變換得到各點的頻域如圖6所示。結(jié)果表明：葉輪進口、葉輪出口、導(dǎo)葉進口、導(dǎo)葉中間及導(dǎo)葉出口截面上各監(jiān)測點壓力脈動的主頻相同，主頻均為葉頻，即轉(zhuǎn)頻的6倍。壓力脈動強度從葉輪進口到導(dǎo)葉出口逐級遞減，其中葉輪進口截面壓力脈動最為劇烈，葉輪出口次之，這主要是由于混流泵導(dǎo)葉對葉輪旋轉(zhuǎn)引起流體的復(fù)雜流動進行了整流，導(dǎo)葉出口截面由于距離旋轉(zhuǎn)區(qū)域較遠，葉輪的轉(zhuǎn)動對其影響較小。

圖6 壓力脈動頻域Fig.6 Frequency domain diagram of pressure pulsation

圖6（a）中葉輪進口截面上，壓力脈動振動幅值隨監(jiān)測點半徑的增大呈不斷上升的狀態(tài)，其中靠近輪緣位置壓力脈動振幅達到最大，A5位置的振動幅值約為A1處的3倍；圖6（b）中葉輪出口截面上靠近輪緣位置監(jiān)測點B5壓力脈動振動幅值約為B1的1.3倍，且壓力脈動振動幅值變化與葉輪進口規(guī)律相似；圖6（c）導(dǎo)葉進口截面上，壓力脈動振動幅值隨監(jiān)測點半徑的增大有減小的趨勢；圖6（d）導(dǎo)葉中間截面上各監(jiān)測點受導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的影響，壓力脈動幅值隨半徑的增大出現(xiàn)遞減的規(guī)律，其中靠近輪轂位置D1點的壓力脈動幅值約為輪緣位置D5點的1.2倍；圖6（e）中導(dǎo)葉出口截面上壓力脈動振動幅值隨監(jiān)測點半徑增大逐漸變大，靠進輪緣位置E5點壓力脈動振動幅值約為輪轂位置E1點的3倍。

2.3 不同工況下壓力脈動時頻域分析

為更清楚了解流量對混流式噴水推進泵內(nèi)靜壓分布及壓力脈動的影響，分別對葉輪進口、葉輪出口、導(dǎo)葉進口、導(dǎo)葉中間及導(dǎo)葉出口截面上監(jiān)測點 A3，B3，C3，D3，E3在 3種不同工況下（小流量工況0.6Q，設(shè)計工況Q，大流量工況1.3Q）的壓力脈動進行分析。

對比3個不同工況下混流式噴水推進泵內(nèi)A3，B3，C3，D3，E3 監(jiān)測點的時域如圖 7 所示，結(jié)果表明：隨著流量的增大，葉輪進口截面A3點靜壓值由負轉(zhuǎn)正，B3，C3，D3，E3 各點的靜壓值隨流量的增加而逐漸變大，泵內(nèi)靜壓分布受流量變化明顯。

圖7 不同工況下壓力脈動時域圖Fig.7 Time domain diagram of pressure pulsation under different working conditions

將不同工況下各點的壓力脈動時域信息通過快速傅里葉變換得到各點的頻域如圖8所示。

圖8 不同工況下壓力脈動頻域Fig.8 Frequency domain diagram of pressure pulsation under different working conditions

不同工況下監(jiān)測點 A3，B3，C3，D3，E3 主頻均保持不變。在葉輪進口截面上，設(shè)計工況下A3點壓力脈動振幅最小，其中大流量工況下A3點的壓力脈動振動幅值約為設(shè)計工況下的2.3倍，小流量工況下壓力脈動振動幅值約為設(shè)計工況的1.3倍；在葉輪出口截面上壓力脈動隨流量的增大逐漸劇烈，大流量工況下B3點壓力脈動振幅為設(shè)計工況下的1.2倍；導(dǎo)葉進口截面上，監(jiān)測點C3壓力脈動振動幅值在大流量及小流量工況下，其一倍葉頻振幅小于設(shè)計工況，但在二倍葉頻處均大于設(shè)計工況；導(dǎo)葉中間截面上監(jiān)測點D3大流量工況對其影響明顯，其中大流量工況下，監(jiān)測點D3壓力脈動振動幅值約為設(shè)計工況下的3.5倍；導(dǎo)葉出口監(jiān)測點E3在大流量工況下E3點的壓力脈動振動幅值約為設(shè)計工況下的3倍，小流量工況下壓力脈動振動幅值約為設(shè)計工況的1.5倍。

3 結(jié)論

（1）噴水推進泵葉輪進口到導(dǎo)葉出口，靜壓值從葉輪進口到葉輪出口由負轉(zhuǎn)正而后經(jīng)過導(dǎo)葉整流逐級減小，葉輪和導(dǎo)葉的相互作用導(dǎo)致葉輪出口靜壓波動均值達到最大171KPa。

（2）壓力脈動強度從葉輪進口到導(dǎo)葉出口逐級遞減，葉輪進口截面上壓力脈動幅值最大，壓力脈動振動幅值隨監(jiān)測點半徑的增大呈不斷上升的狀態(tài)，其中靠近輪緣位置壓力脈動振幅達到最大，對于噴水推進泵振動控制要著重控制葉輪進口的壓力脈動。

（3）不同工況下各監(jiān)測點的壓力脈動主頻均保持不變，為葉輪的通過頻率100Hz，流量的變化基本不會影響脈動主頻，在噴水推進泵實際運行中應(yīng)盡量避免與其固有頻率接近。

（4）噴水推進泵在設(shè)計工況下壓力脈動振動控制的最好，偏離設(shè)計工況時泵內(nèi)部壓力脈動增大，大流量工況加劇了泵內(nèi)流體的振動，小流量工況相較于大流量工況時對推進泵壓力脈動的影響較弱，在噴水推進泵的運行過程中要盡量避免偏離設(shè)計工況運行。