流場控制體對噴水推進器性能預報影響的研究

劉承江，王永生，張志宏，劉巨斌

（1海軍工程大學a.船舶與動力學院；b.理學院，武漢430033）

1 引 言

目前，采用CFD方法對噴水推進器進行水動力性能預報的研究已較為成熟。這些研究對深入分析噴水推進器內(nèi)部流動情況、改進設計、彌補試驗研究的不足，起到非常重要的作用[1-5]。甚至有些研究機構已經(jīng)將這種數(shù)值計算研究置于與試驗研究同等重要的地位[6-7]。為準確預報和計算噴水推進器水動力性能，建立正確的數(shù)值模型是非常重要的。其中，流場計算區(qū)域（即流場控制體）因影響到噴水推進器的進流條件，所以其選取將會直接影響預報的精度。對此，本文對設計工況和非設計工況下噴水推進器水動力性能預報所需流場控制體進行了研究。在驗證計算方法和數(shù)值模型可信的基礎上，通過對比不同流場控制體的計算結果，分析了流場控制體對噴水推進器性能預報的影響，最后確定了所需流場控制體的大小。

2 數(shù)值計算模型

噴水推進器結構如圖1所示。考慮到來流受航速、壓力及進水口對船底邊界層等因素的影響，在進水流道下方設置一個較大區(qū)域模擬船底水流場，共同組成噴水推進器數(shù)值計算區(qū)域 （即流場控制體，圖2）。整個流場計算區(qū)域分成兩個部分：進水流道與船底水作為一個區(qū)域，噴水推進器泵本體（包括葉輪和導葉體）和噴口作為一個區(qū)域。噴水推進器各部件均采用六面體結構化網(wǎng)格進行劃分，并對進水流道壁面和船底附近網(wǎng)格作加密處理以得到滿足y+要求的網(wǎng)格，葉片附近也用O型網(wǎng)格進行加密，以使網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求（如圖3）。

船底流場控制體兩側及來流面設為速度進口，通過速度剖面來模擬流動受邊界層的影響。利用平板二維粘性邊界層速度分布模擬船底邊界層的速度分布，采用Prandtl方法和Wieghardt建議的近似修正[8]，可得到船底邊界層厚度和速度分布：

其中：Re—雷諾數(shù)，Vs—航速，x—進口前船體水線長度，ν—水的運動粘性系數(shù)，δ—邊界層厚度，y—離船底的距離，u—y處的流速。

數(shù)值計算方法和邊界條件設置等與文獻[9]相同。

3 數(shù)值計算與分析

在參考國內(nèi)外有關噴水推進器CFD性能研究的基礎上[1-3，6]，首先選用一個較大的控制體對系統(tǒng)流場進行模擬，并用該模型對設計工況和非設計工況的噴水推進器推力、功率等特性進行預報。預報結果與廠商提供的數(shù)據(jù)進行了比較，其中設計工況的推力、功率誤差分別為0.881%和0.078%，非設計工況的推力和功率最大誤差為4.63%。所以，作者認為該數(shù)值模型和相應的計算方法可信。

3.1 設計工況流場控制體的選取

最初選取的基準控制體的尺寸是：進水口前長度為40倍葉輪進口直徑 （即40D，D為葉輪進口直徑），船尾板后為8倍葉輪進口直徑，船底寬6倍葉輪進口直徑（中剖面一側，總寬度為12倍葉輪進口直徑），船底水深10倍葉輪進口直徑。不同控制體模型的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格尺度是相同的。

在最初控制體的基礎上，分別從長、寬、深三個方向改變其大小，計算對比噴水推進器內(nèi)部微觀流動情況和宏觀外特性參數(shù)。各模型計算的流量、功率、推力等外特性指標與初選控制體計算結果偏差均在0.3%以內(nèi)，相差很小。圖4是各模型中剖面速度分布，顏色越深表示速度越小。

通過對比分析，最終確定設計工況時流場控制體的長、寬和深度分別為噴水推進器葉輪進口標稱直徑的30倍、10倍和8倍。具體分析參考文獻[9]。

3.2 非設計工況流場控制體的選取

選擇0.75倍和0.50倍設計航速對應的兩個工況進行分析。圖5-1、5-2分別是設計工況與非設計工況（0.5倍設計航速）進水流道附近流線分布情況?？梢姡窃O計工況所需流場控制體應該比設計工況時更大。所以，在4.1節(jié)選取的流場控制體的基礎上，逐步加大流場控制體大小，通過對比計算結果確認非設計工況時所需流場控制體的大小。

表1～6分別是各非設計工況流量、功率、推力等性能參數(shù)隨控制體長度、寬度、深度的變化規(guī)律。將4.1節(jié)設計工況下流場控制體的數(shù)據(jù)作為參考基準，不同維度的性能參數(shù)變化與各自基準進行對比。

表1 0.75倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體長度變化Tab.1 Parameters changed with length of FCV at 75% design speed

表2 0.5倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體長度變化Tab.2 Parameters changed with length of FCV at 50% design speed

表3 0.75倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體寬度變化Tab.3 Parameters changed with width of FCV at 75% design speed

表4 0.5倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體寬度變化Tab.4 Parameters changed with width of FCV at 50% design speed

表5 0.75倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體深度變化Tab.5 Parameters changed with depth of FCV at 75% design speed

表6 0.5倍設計航速工況性能參數(shù)隨控制體深度變化Tab.6 Parameters changed with depth of FCV at 50% design speed

由表1～2可見，各工況流量、功率、推力隨控制體長度的變化不足1%。由表3～4可知，控制體寬度對計算結果的影響也很小。由表5～6可知，流量、功率隨控制體深度變化不大，而推力受控制體深度影響較大，且隨著深度增大，推力變化增大，超過1%；但隨著深度的進一步增加，推力增大有減緩的趨勢；航速越低，控制體深度對推力的影響越大。所以，為避免流場控制體對性能預報帶來的誤差，可在設計工況流場控制體的基礎上增加控制體深度；又考慮到計算量問題，作者最終確定非設計工況下控制體深度為10倍進口直徑。由于控制體長度和寬度對性能預報結果影響不大，且考慮到計算量問題，所以在非設計工況預報時可采用與設計工況相同的控制體長度和寬度。

5 結 論

針對噴水推進器CFD性能分析中流場控制體選取問題展開討論，分別從深度、寬度和長度三個維度對控制體進行了調(diào)整。通過數(shù)值計算和分析，研究了不同流場控制體對噴水推進器性能（包括外特性宏觀參數(shù)和內(nèi)流場微觀參數(shù)）預報結果的影響，為噴水推進器CFD性能分析所需流場控制體的選取提出了建議。

（1）本研究首先對設計工況流場控制體的選取進行了計算和分析。由于外特性預報結果變化不大，僅在0.3%以內(nèi)，而內(nèi)流場流動變化較明顯，所以控制體的選取以內(nèi)流場流動參數(shù)分布合理為標準，這也是CFD方法特點的一個體現(xiàn)。最終確定設計工況時流場控制體的長、寬和深度分別為噴水推進器葉輪進口標稱直徑的30倍、10倍和8倍。

（2）對于非設計工況時控制體的選取，在設計工況流場控制體的基礎上，分別改變其長、寬和深度，通過計算分析，根據(jù)流量、功率和推力的變化情況，最終確定該控制體長、寬和深度分別為噴水推進器葉輪進口標稱直徑的30倍、10倍和10倍。

（3）非設計工況流場控制體的大小對噴水推進器性能預報的影響比設計工況大，而且非設計工況下所需流場控制體要大于設計工況時的情況。

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