基于數(shù)值試驗(yàn)及實(shí)船試航的噴水推進(jìn)器改型設(shè)計(jì)

靳栓寶，沈洋，王東，王永生，魏應(yīng)三，胡鵬飛

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

基于數(shù)值試驗(yàn)及實(shí)船試航的噴水推進(jìn)器改型設(shè)計(jì)

靳栓寶，沈洋，王東，王永生，魏應(yīng)三，胡鵬飛

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

采用基于雷諾時(shí)均法的SST湍流模型對“某軸流式噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+船體”系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，查找出了該噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道設(shè)計(jì)存在的一些問題。依據(jù)該船體阻力、設(shè)計(jì)航速和主機(jī)功率等參數(shù)重新對該船噴水推進(jìn)器進(jìn)行選型，進(jìn)而運(yùn)用三元的方法對噴水推進(jìn)泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法對流道進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用了數(shù)值試驗(yàn)的方法校核新設(shè)計(jì)的混流式噴水推進(jìn)器流體動力性能，計(jì)算結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道性能優(yōu)異，并且能夠較好地滿足快速性指標(biāo)。最后，對改進(jìn)設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)器進(jìn)行了快速性預(yù)報(bào)和實(shí)船試航，試航結(jié)果表明新設(shè)計(jì)混流式噴水推進(jìn)器推進(jìn)航速超過設(shè)計(jì)航速9.4%，并且數(shù)值預(yù)報(bào)航速與試航結(jié)果誤差為1.5%，這既驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性，也驗(yàn)證了所采用的數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

船舶；噴水推進(jìn)泵；進(jìn)水流道；航速；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算模型的發(fā)展，數(shù)值試驗(yàn)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于推進(jìn)器的性能分析與優(yōu)化，模擬精度也已達(dá)到工程認(rèn)可的范圍[1-2]。本文建立了“某軸流式噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+艇體”的數(shù)值模型，用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）計(jì)算了其流體動力性能，通過后處理的數(shù)據(jù)分析找出了原噴泵和進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)缺陷。進(jìn)而，運(yùn)用噴水推進(jìn)理論對噴泵進(jìn)行選型，運(yùn)用三元方法設(shè)計(jì)了所選型的混流式噴水推進(jìn)泵，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了進(jìn)水流道，再運(yùn)用CFD方法計(jì)算并完善了混流式噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道的性能。接著，再運(yùn)用CFD方法計(jì)算并分析了“混流式噴泵+進(jìn)水流道+船體”的推進(jìn)性能，完成了快速性預(yù)報(bào)。然后，將噴泵和進(jìn)水流道的數(shù)值模型直接用于產(chǎn)品生產(chǎn)，跨越了常規(guī)方法中的模型試驗(yàn)階段。最后，對新設(shè)計(jì)的混流式噴水泵和進(jìn)水流道進(jìn)行裝船試航，試航結(jié)果為新系統(tǒng)的實(shí)船最高平均航速高于設(shè)計(jì)航速9.4%。實(shí)船試航數(shù)據(jù)證明了所用數(shù)值設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法的有效性和可信性。本文是上述工程研究中所用方法的一個全面研討。

1 某噴水推進(jìn)器性能CFD計(jì)算與分析

利用基于中心節(jié)點(diǎn)控制和有限體積法的計(jì)算流體力學(xué)程序來求解RANS方程，采用SST湍流模型進(jìn)行計(jì)算求解，其融合了k-ε和k-ω兩種湍流模型，在自由流動區(qū)域使用k-ε模式，而在近壁面區(qū)域（y+＜2.5）使用k-ω模型中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過混合函數(shù)來過渡，這樣可以不需要使用壁面函數(shù)，能夠較好地模擬粘性底層的流動[3]。利用CAD軟件（UG）構(gòu)造該噴水推進(jìn)器及船體的幾何及數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示，船底用平板簡化代替。整個計(jì)算域采用混合網(wǎng)格，噴水推進(jìn)泵采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如圖2），流道采用四面體網(wǎng)格，整個計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約450萬。

圖1 “噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+船體”的計(jì)算域示意圖Fig.1 Calculation domain of the‘waterjet+inlet duct+hull’

圖2 噴水推進(jìn)泵表面網(wǎng)格Fig.2 Surface mesh of the waterjet model

進(jìn)水流道作為噴水推進(jìn)泵從船底吸水的過流通道，其水動力性能優(yōu)越與否不但影響到流道內(nèi)的流動損失而且也明顯影響噴水推進(jìn)系統(tǒng)對來流動能的利用以及推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率，也明顯影響船底水流進(jìn)入噴水推進(jìn)泵的通暢程度和出流的質(zhì)量從而明顯影響噴水推進(jìn)泵的抗空化性能和振動噪聲性能[4]。本文利用數(shù)值計(jì)算后處理手段清晰地顯示了在設(shè)計(jì)工況下該噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道的流動情況，如圖3所示，可以看出進(jìn)水流道內(nèi)流動紊亂，出現(xiàn)大面積的流動分離和漩渦，存在較大流動損失，這將嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的推進(jìn)效率。

圖3 流道表面和內(nèi)部流線Fig.3 Streamlines of the inlet duct

本研究同樣顯示了裝船后噴水推進(jìn)泵內(nèi)三維流線（如圖4）以及第一級導(dǎo)葉中間截面的二維流線圖（如圖5）?？梢钥闯?第一級導(dǎo)葉內(nèi)流動紊亂，存在流動分離和漩渦。雙級軸流式噴水推進(jìn)泵第一級導(dǎo)葉的出流是第二級葉輪的進(jìn)流，該軸流泵第二級葉輪是完全按照均勻無預(yù)旋來流設(shè)計(jì)的，這與實(shí)際情況不符。另外，該噴水推進(jìn)泵第一級導(dǎo)葉整流較差既會降低第一級泵的效率，又會對第二級葉輪的進(jìn)流產(chǎn)生不利影響，造成噴水推進(jìn)泵總效率的降低。

圖4 噴水推進(jìn)泵內(nèi)部三維流線圖Fig.4 Three-dimensional streamlines in the waterjets

圖5 第一級導(dǎo)葉中間截面流線圖Fig.5 Two-dimensional streamlines on the middle section of the first stator

2 新型噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)及性能分析

2.1 噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)

鑒于原噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道設(shè)計(jì)存在著種種缺陷，本文對該快艇噴水推進(jìn)器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。首先對噴水推進(jìn)器主要參數(shù)進(jìn)行選取，確定合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證“船—泵—機(jī)”三者之間達(dá)到最佳匹配。選取噴水推進(jìn)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)的基本思路是：根據(jù)艇體阻力和主機(jī)參數(shù)，與船舶推進(jìn)要求相結(jié)合，運(yùn)用噴水推進(jìn)理論來確定待設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：噴水推進(jìn)泵的流量Qd、揚(yáng)程Hd、轉(zhuǎn)速nd、進(jìn)口直徑Din、噴口直徑Dout、汽蝕余量NPSHd以及流道的出口直徑等。

（1）噴水推進(jìn)泵軸面形狀及軸面網(wǎng)格

軸面流道形狀對泵過流能力、水力效率和空化性能都有重要影響[5]，本研究在參考國外優(yōu)秀水力模型的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際裝船后的尺寸約束繪制了該泵軸面形狀，如圖6所示，泵設(shè)計(jì)過程的軸面網(wǎng)格如圖7所示。

圖6 噴泵軸面形狀Fig.6 Meridional geometry of the new waterjet

圖7 葉輪和導(dǎo)葉數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格Fig.7 Numerical mesh of the new waterjet pump

（2）噴水推進(jìn)泵負(fù)載分布規(guī)律

運(yùn)用三元不考慮粘性的反問題計(jì)算與全三維考慮粘性的正問題計(jì)算相互迭代方法對某混流式噴泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程快速、準(zhǔn)確。三元反問題設(shè)計(jì)時(shí)把葉輪內(nèi)三維流動分解為周向平均流動和周向脈動流動，周向平均流動方程直接由三維Euler方程作周向平均導(dǎo)出，周向脈動流動由Clebsch變換建立起控制方程；用置于葉片中心面上的渦來代替葉片對流場的作用，而葉片形狀以滿足流動邊界條件迭代確定[6-9]。在計(jì)算出無厚度葉片中心面后，采用NACA系列翼型厚度分布規(guī)律對葉片進(jìn)行加厚，最終設(shè)計(jì)得到噴水推進(jìn)泵幾何如圖8所示。

2.2 噴水推進(jìn)泵性能的數(shù)值計(jì)算與分析

裸泵數(shù)值計(jì)算域的大小及邊界條件設(shè)置如圖8所示，采用流量進(jìn)口和總壓出口邊界條件，葉輪和輪轂設(shè)為相對靜止壁面條件，泵殼設(shè)為絕對靜止壁面條件。采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分對該混流式噴水推進(jìn)泵在額定轉(zhuǎn)速、不同流量工況下的水力性能進(jìn)行了計(jì)算,全通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約180萬。計(jì)算收斂后，為清楚顯示噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動情況，利用數(shù)值計(jì)算后處理功能顯示了噴泵內(nèi)部三維的流線圖（圖9）可以看出推進(jìn)泵內(nèi)部流動基本未見紊亂現(xiàn)象，噴泵導(dǎo)葉出口處流線基本平直，導(dǎo)葉整流效果較好。

圖8 新設(shè)計(jì)噴泵幾何及數(shù)值計(jì)算模型Fig.8 Geometry of the new mixed-flow pump

圖9 噴水推進(jìn)泵內(nèi)部速度流線圖Fig.9 Three-dimension streamline in the new waterjet pump

圖10 揚(yáng)程、功率、效率特性曲線Fig.10 Head,power,efficiency curves of the new waterjet

圖11 揚(yáng)程-NPSH曲線Fig.11 Head-NPSH curve of the new waterjet

如圖10所示，所設(shè)計(jì)泵揚(yáng)程和功率均滿足要求，在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下，在功率允許的范圍內(nèi)，效率達(dá)到了90.5%，并且在較大的流量范圍內(nèi)噴泵效率都在85%以上，高效區(qū)范圍較寬。為校核該泵的空化性能指標(biāo)，本文采用混合流體無滑移模型（也稱為混合物均相流模型）對該泵的空化性能進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如圖11所示，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，計(jì)算得到該泵NPSH遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足抗空化性能。

2.3 流道設(shè)計(jì)及流動性能分析與校驗(yàn)

進(jìn)水流道是船底吸入水流傳輸給噴水推進(jìn)泵的通道，其性能優(yōu)劣直接影響到整個噴水推進(jìn)器性能好壞。據(jù)報(bào)道，噴水推進(jìn)器工作時(shí)有7%-9%軸功率損失在進(jìn)水流道內(nèi)[4]，高性能進(jìn)水流道設(shè)計(jì)也是噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容之一。本文根據(jù)選型得到的流道出口直徑及船體的安裝尺寸，利用參數(shù)化建模與流動性能CFD分析手段相結(jié)合進(jìn)行流道優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)得到的流道主要幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)外形如圖12所示，并采用數(shù)值的方法對流道流動性能進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，計(jì)算得到該流道內(nèi)部流線如圖13所示，從圖中可以看出該流道內(nèi)流線光滑，流動通暢。另外，采用文獻(xiàn)[10]提出的衡量流道出口不均勻度的公式計(jì)算了該流道的出口不均勻度，設(shè)計(jì)優(yōu)良的流道不均勻度一般小于0.2，本流道不均勻度ζ=（其中：Q表示流道的流量，V表示某一點(diǎn)流道出口的軸向速度，Vp流道出口軸向速度的平均值），進(jìn)一步驗(yàn)證了該流道流動性能優(yōu)異。

圖12 流道幾何結(jié)構(gòu)Fig.12 Geometry of the new inlet duct

圖13 流道流線圖Fig.13 Streamlines of the new waterjet

2.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)器快速性預(yù)報(bào)及實(shí)船試航

采用數(shù)值計(jì)算的方法來預(yù)報(bào)新設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)器的推進(jìn)航速，圖14顯示了“新設(shè)計(jì)噴泵+進(jìn)水流道+船體”的計(jì)算域和邊界條件設(shè)置。在噴泵最高轉(zhuǎn)速時(shí)，將不同航速下計(jì)算得到的噴水推進(jìn)器所能提供的凈推力曲線和艇體曲線疊加，通過兩曲線的交點(diǎn)來預(yù)報(bào)船的航速，如圖15所示。數(shù)值預(yù)報(bào)得到新設(shè)計(jì)的混流式噴水推進(jìn)器可達(dá)到的最高航速超過設(shè)計(jì)航速10.9%。為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)器裝船后性能，對其進(jìn)行了實(shí)船試航，得到該推進(jìn)器所能推進(jìn)的最高航速超過設(shè)計(jì)航速9.4%，該結(jié)果說明了所設(shè)計(jì)泵的優(yōu)異性能。另外，數(shù)值預(yù)報(bào)航速和實(shí)船試航航速誤差在1.5%左右，也驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和數(shù)值計(jì)算方法的有效性。

圖14 “新設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+船體”的計(jì)算域Fig.14 Calculation domain of‘new waterjet+inlet duct+ hull’

圖15 新設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)器快速性預(yù)報(bào)Fig.15 The velocity prediction of the hull propelled by the new waterjet

3 結(jié)論

本文探索了數(shù)值計(jì)算分析和數(shù)值試驗(yàn)方法的可行性。首先用CFD方法分析了“原軸流式噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道+艇體”流體動力性能，找到了航速未達(dá)設(shè)計(jì)值的原因。然后采用三元的方法設(shè)計(jì)了重新選型得到的混流式噴水推進(jìn)泵以及采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)進(jìn)水流道，并運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法分析各部件流體動力性能，接著用CFD方法分析“新混流式噴泵+進(jìn)水流道+平板艇體”的流體性能并進(jìn)行快速性預(yù)報(bào)。各部件性能和系統(tǒng)性能經(jīng)判斷認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求后，將數(shù)值設(shè)計(jì)和校核所得到的混流式噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道直接進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，跨越了常規(guī)方法所采用的模型試驗(yàn)。實(shí)船試航結(jié)果表明，數(shù)值設(shè)計(jì)和數(shù)值校核方法有效可行，所用的數(shù)值模型準(zhǔn)確可信。本文工程案例具有方法學(xué)上的借鑒意義。

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Remodel design of waterjet with CFD and its sea trial

JIN Shuan-bao,SHEN Yang,WANG Dong,WANG Yong-sheng,WEI Ying-san,HU Peng-fei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

A‘a(chǎn)xial-flow pump+duct+hull’system’s performance was calculated by solving RANS equations and SST turbulent model equations,and the faults of the waterjet design were showed by analyzing the fluid flow characteristic of waterjet pump.The new design parameters for waterjet were calculated based on the craft resistance curve and the main parameters of engine.Then the mixed-flow pump was redesigned by three-dimensional design method,and the duct was gained by parametric design method.The performance of the new waterjet was calculated by CFD method,which indicated that the pump and inlet duct had excellent performance,and the desired craft speed was well satisfied.Finally,the self-propulsion test of the ship with remodeled waterjet was carried out,the maximum speed of the ship exceed the design speed by 9.4%,and the calculated speed of the ship from CFD agrees well with test data with the error of 1.5%, which validates credibility of the numerical model and the design method.

ship;waterjet;inlet duct;ship speed;optimal design;numerical simulation

U664.34

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.11.003

1007-7294（2015）11-1312-06

2015-05-12

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51309229，51307177，51409256）

靳栓寶（1983-），男，博士后，E-mail：hjgcjin@163.com；

沈洋（1983-），男，講師。