噴口軸向長度對噴水推進器性能影響的研究

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(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

噴水推進是利用噴水推進泵內(nèi)的葉輪對水做功，經(jīng)導(dǎo)葉整流后，高速水流從噴口噴出，從而獲得推力的一種新型船舶推進方式。它具有高航速時推進效率高、不易空化、水下輻射噪聲低、船舶操縱性優(yōu)和機動性能好等諸多常規(guī)螺旋槳所不能比擬的特點，并依托這些優(yōu)良特性在高速高性能船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。對于船舶來說，最適合的噴水推進器都是單獨設(shè)計的，但為了降低設(shè)計和制造成本,噴水推進供應(yīng)商普遍采用了產(chǎn)品系列化的技術(shù)進行了批量生產(chǎn)。世界著名的噴水推進裝置生產(chǎn)商KaMeWa、Lips、MJP和Hamilton等的共同點是:噴水推進裝置都已系列化和大型化；各公司都建立了自己的噴水推進裝置的規(guī)格系列,有的以泵進口直徑的厘米數(shù)(cm)命名,如KaMeWa和Lips公司; 有的公司以進口直徑的毫米數(shù)(mm)命名,如MJP公司。

三元設(shè)計方法的引入和計算流體力學(xué)的發(fā)展使得船舶噴水推進器的設(shè)計和優(yōu)化變得更加的方便和精益求精了。噴口作為噴水推進器的一個重要組成部分，它在推進器尾部的幾何收縮可以將導(dǎo)葉器的出流壓能進一步轉(zhuǎn)化為動能，以更高的速度向船后噴出，從而獲得更大的推力；噴口的直徑是設(shè)計者在考慮船舶的性能之后，通過最佳噴速比來確定的，但噴口的軸向長度則需要設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗來確定。由于噴口流體流速極高，且壁面摩擦等因素的影響，過長的噴口會產(chǎn)生較大的摩擦損失，整個推進器所產(chǎn)生的推力就會降低；過短的噴口又不容易將其內(nèi)水流整為軸向，因此推力也會減小。因此，找到合適的噴口軸向長度對噴泵的設(shè)計者顯得尤為重要。目前國外的噴口設(shè)計可以將流量損失降到1%以下，而國內(nèi)對噴口長度的相關(guān)研究較少[4-10]。為了探索噴口軸向長度對噴水推進器整流效果和效率的影響，提高噴水推進器的推進性能以及為設(shè)計者提供一定的參考，運用CFD方法，通過改變某噴泵噴口的軸向長度，研究不同軸向長度對噴口出流的不均勻度、噴射效率以及泵所產(chǎn)生的推力影響。

1 控制方程與方法驗證

1.1 控制方程

利用基于中心節(jié)點控制和有限體積法的計算流體力學(xué)程序來求解RANS方程，選擇SST模式對湍流進行模擬，不可壓粘性流體數(shù)值求解的控制方程如下。

(1)

(2)

式中：fi——質(zhì)量力；

μ——流體動力粘性系數(shù)；

μi——湍流動力粘性系數(shù)。

1.2 數(shù)值方法驗證

在對混流泵不同噴口長度下數(shù)值計算前，對國外的某型混流泵進行數(shù)值模擬，以驗證文中所用方法和模型的可信性。

該泵的葉輪進口直徑為710 mm,有6個葉片和11個導(dǎo)葉，其幾何模型見圖1。

圖1 KaMeWa71SII幾何模型

該噴泵流體性能數(shù)值計算的幾何分為噴口、導(dǎo)葉、葉輪以及為計算敞水性能所添加的進口直管。噴口和進口直管都采用ICEM軟件，劃分六面體網(wǎng)格，近壁面處網(wǎng)格進行了加密，以保證捕捉到邊界層。導(dǎo)葉和葉輪采用TurboGrid軟件劃分六面體網(wǎng)格，葉頂間隙處設(shè)置10層網(wǎng)格。在網(wǎng)格數(shù)量選擇上，對葉輪在880 r/min工況下的流量進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，計算結(jié)果見圖2。

圖2 流量與網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格無關(guān)性圖

從圖2中可以看出，葉輪網(wǎng)格至少需要70萬，才能保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計算的過程中權(quán)衡了計算速度和對流場流動細(xì)節(jié)的有效捕捉兩個方面，對不同的部件使用了不同的網(wǎng)格。表1中各個部件的Y+反映了部件表面的邊界層情況，根據(jù)幫助文件要求，以小于200為準(zhǔn)。

表1 各部件網(wǎng)格數(shù)

邊界條件設(shè)定為總壓進口，靜壓出口。時間步長設(shè)為物理時間1/ω，其中ω為葉輪轉(zhuǎn)速，(°)/s。計算孤立泵轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min下功率的變化情況。

計算結(jié)果見表2。試驗數(shù)據(jù)已經(jīng)做了不同轉(zhuǎn)速下的歸一處理。對比可以看出，計算值與廠商提供數(shù)據(jù)相對誤差均在3%以內(nèi)，滿足工程要求。說明該方法計算水動力特性是可信的，也為接下來的噴口改進工作提供了實際支撐。

表2 KaMeWa71SⅡ軸功率計算結(jié)果

2 CFD數(shù)值計算

噴泵的敞水性能是指孤立泵在均勻進流條件下的性能，即不加進水流道時噴泵在均勻流場中的水力性能，它是船后泵性能分析的基礎(chǔ)。

以KaMeWa71SII混流式噴水推進泵為對象，以其導(dǎo)葉輪轂處尖角至噴口出口處的長度為噴口的軸向長度(251.6 mm)，以依次增加或減少原噴口長度的10%(25 mm)為標(biāo)準(zhǔn)，對其噴口進行系列化改變，計算比較噴泵的敞水性能。

為了保證連接曲線與導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線都相切，在作圖過程中使用了貝賽爾曲線來連接導(dǎo)葉外殼輪廓線和噴口水平線，從而保證從導(dǎo)葉流出的高速水流在噴出過程中的能量損失最小。各噴口在UG中的輪廓線見圖3，回轉(zhuǎn)后的噴口見圖4。

圖3 噴口輪廓線示意

圖4 不同長度的噴口

2.1 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行區(qū)域空間離散，對進流管和噴口壁面附近網(wǎng)格加密以較好地模擬壁面附近流動。葉輪單通道節(jié)點數(shù)為15萬，導(dǎo)葉單通道為10萬。葉輪扭曲度較大使用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，葉片和導(dǎo)葉附近都采用了O型網(wǎng)格。各部件網(wǎng)格見圖5。

圖5 各部件網(wǎng)格

整個流場控制體總共采用了約310萬個網(wǎng)格單元，Y+控制在30以內(nèi)，不同軸向尺寸的噴口，根據(jù)噴口的長短對其節(jié)點進行控制，保證不同噴口中網(wǎng)格單元的大小差別不大，減小了因為網(wǎng)格的疏密造成的誤差。

2.2 邊界條件

對噴水推進泵孤立泵水力性能進行計算時，為保證均勻進流，在葉輪進口前加進流直管段，其直徑為葉輪進口直徑，長度為2倍直徑。噴水推進器的進口設(shè)為總壓進口，出口設(shè)為靜壓出口，推進器的轉(zhuǎn)速設(shè)為常用工況900 r/min。

2.3 計算方法

噴水推進系統(tǒng)的流場區(qū)域采用穩(wěn)態(tài)多參考系(MRF)方法進行計算，葉輪內(nèi)的流場采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計算，導(dǎo)葉體和流道內(nèi)的流場采用固定坐標(biāo)系進行計算。采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，聯(lián)立求解連續(xù)方程和RANS方程，然后求解湍流方程。

3 CFD計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述方法，對不同噴口的噴水推進器內(nèi)流場進行數(shù)值計算，結(jié)果見圖6、7、8。

圖6 噴口長度和揚程關(guān)系示意

圖7 噴口長度和泵效率關(guān)系示意

圖8 噴口長度和推力關(guān)系示意

分析發(fā)現(xiàn)，隨著噴口軸向長度的增加，泵的揚程降低，泵效率也逐漸降低，這是因為噴口軸向長度增加之后，壁面摩擦阻力增加，流量減小，揚程降低，使得水力功率降低，進而使泵的效率下降。

分析還發(fā)現(xiàn)，隨著噴口軸向長度的增加，敞水泵的推力是先增加后減小，在251.6 mm，即泵進口直徑的35%左右時，推力值達(dá)到最大。分析認(rèn)為噴口的主要作用在于整流的同時，將導(dǎo)葉體出流的壓力能進一步轉(zhuǎn)化為動能，提高噴口的出流速度，噴口太短，液體的壓力能就不能很好地轉(zhuǎn)化為動力能，產(chǎn)生的推力就??；噴口太長，液體的壓力能雖然能夠充分地轉(zhuǎn)化為動力能，但噴口太長會引起壁面摩擦阻力增加，出口流量減小，產(chǎn)生的推力也會變小。

因此，250 mm左右是噴口的最佳值，在此情況下，壓力能轉(zhuǎn)化的動能與壁面摩擦阻力之差最大，推力值達(dá)到最高。

4 結(jié)論

通過計算流體力學(xué)的方法，運用CFX軟件對71SII在不同噴口尺寸下噴泵的水力性能進行數(shù)值計算和分析發(fā)現(xiàn)：噴口的長度增加時，噴口的揚程不斷降低，效率會不斷減小泵的推力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；當(dāng)噴口長度達(dá)到35%的葉輪進口直徑時，推力最大。這對于噴水推進器性能改進過程中噴口的優(yōu)化提供了一定的參考依據(jù)。

本文對混流泵的最佳噴口長度進行了計算分析，其推力在326.6 mm左右時，趨勢不是特別好，還需要進一步研究。另外，對于軸流泵噴口的設(shè)計以及噴口和導(dǎo)葉出口處輪轂的匹配，還需要進一步計算。

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