格柵安裝角對噴水推進泵裝置性能影響的數(shù)值模擬

羅 燦，成 立，劉 超

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

格柵安裝角對噴水推進泵裝置性能影響的數(shù)值模擬

羅 燦，成 立*，劉 超

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

為探究格柵安裝角對噴水推進泵裝置性能的影響，建立了“格柵+推進泵+進水流道+噴嘴+船底水體”的三維幾何模型，基于計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對該模型進行數(shù)值計算，并對內(nèi)流場特性、推力性能和水力性能展開分析.分析結(jié)果表明：格柵的安裝會明顯縮小泵裝置縱剖面上的高速區(qū)范圍，但格柵安裝角對高速區(qū)范圍變化影響不大；裝設(shè)格柵后彎管斷面和流道出口斷面上的法向流速分布明顯變化，隨著安裝角的增加，該影響減弱；流道出口斷面水流較為平順，法向流速均勻度欠佳，格柵的安裝會加劇這種趨勢；裝設(shè)格柵后裝置的推力減小，隨著格柵安裝角的增加，推力會逐漸恢復(fù)至無格柵方案時的推力水平；格柵安裝角的變化對裝置的水力性能影響并不明顯；推薦格柵安裝角γ選擇5。.

噴水推進泵裝置；計算流體動力學(xué)；格柵；安裝角

一種新型噴水推進泵裝置目前已廣泛應(yīng)用于船舶業(yè)，特別是高性能船舶領(lǐng)域［1-2］.為了更深入地了解噴水推進泵裝置的性能，前人對其展開了相關(guān)的研究工作［3-5］.在裝置的實際運行中常會遇到多雜物的環(huán)境，此時雜物會通過流道流入推進泵內(nèi)，影響裝置的安全運行，故在裝置流道進口須裝設(shè)可拆卸的格柵以保護裝置的核心部件葉輪.對此，國內(nèi)外學(xué)者均針對格柵展開了研究：周暢［6］從靜力特性和動力特性兩方面入手找出了流道進水口格柵的損壞原因；王永生等［7］運用計算流體動力學(xué)方法，按照裝有格柵的進水口“流通能力保持不變”的設(shè)計準則，重新設(shè)計進水口并分析了某噴水推進高速巡邏艇航速未達設(shè)計值的原因；Dusablon［8］研制了一款安裝于高速摩托艇上的噴水推進裝置的格柵；Jordan［9］設(shè)計了與常規(guī)格柵配合使用的附加格柵.已有研究主要從柵條應(yīng)力、進水口優(yōu)化及格柵形式的設(shè)計等角度展開，而較少關(guān)注格柵安裝角對噴水推進泵裝置內(nèi)外特性的影響.目前，CFD技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的研究手段［10］.本文以格柵安裝角為切入點，建立了裝設(shè)有不同安裝角格柵的噴水推進泵裝置三維幾何模型，并采用CFX求解器對格柵安裝角對裝置性能的影響進行了數(shù)值計算.

1　計算模型及數(shù)值模擬

1.1控制方程及湍流模型

噴水推進泵裝置內(nèi)部流動為不可壓縮流動，將雷諾時均N-S方程和連續(xù)性方程作為控制方程組，對該流動描述.在CFX求解器下對計算進行如下設(shè)置：①采用標準k-ε湍流模型作為本計算的湍流模型［11］；②控制方程的各項均采用一階迎風(fēng)格式進行離散；③基于CFX求解器內(nèi)嵌的有限體積法對方程組進行求解；④認為默認監(jiān)控參數(shù)的收斂精度達到10-5時計算收斂.1

.2 計算區(qū)域

噴水推進泵裝置由進水流道、葉輪、導(dǎo)葉和噴嘴組成，其中葉輪為裝置的核心部件.研究表明，船底邊界層會造成流道進口發(fā)生不均勻入流，僅研究單獨的裝置是不合理的，因此須在船底建立水體計算域，裝置安裝于水體計算域?qū)捪虻闹行木€上，沿用文獻［12］提供的建議尺寸，即船底水體的長、寬、高分別為30Dpo、5Dpo和8Dpo，其中Dpo為噴水推進裝置進水流道的出口直徑. 圖1上方子圖為整個計算域的正視圖，下方子圖為噴水推進泵裝置進水流道的細節(jié)圖，噴水推進泵的葉輪葉片數(shù)為6片，導(dǎo)葉數(shù)為7片；流道可分為進口收縮段、彎管段及出口水平段三部分，其中格柵裝于流道收縮段進口處.各子域均在同一個三維直角坐標系下，z軸原點位于流道出口斷面前0.029Dpo處.

1.3空間離散

分別用不同類型的網(wǎng)格對各子域進行空間離散，其中流道進口收縮段的網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分均為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果表明：核心部件推進泵葉輪的網(wǎng)格數(shù)超過約90萬后，裝置的揚程和效率基本不變.本文采用的網(wǎng)格數(shù)如下：船底水體為574 656，進水流道為5 466 504，葉輪為890 136，導(dǎo)葉為546 854，噴嘴為62 720.

1.4邊界條件

進口、噴嘴出口和水體出口的位置如圖1所示，其中進口設(shè)置為速度進口，大小為8 m·s-1，即為船速；水體出口設(shè)置為壓力出口，平均靜壓為101.325 k Pa，噴嘴出口設(shè)置為流量出口；推進泵葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其轉(zhuǎn)速設(shè)置為700 r·min-1；各子域間的接觸面采用交界面進行耦合處理，其中葉輪的進出口交界面為動靜交界面；采用可縮比例壁面函數(shù)對固體壁面進行處理.

圖1　計算區(qū)域及邊界示意圖Fig.1 Computational domains and boundary condition

2　水力性能評判指標

2.1分析斷面的選取

為了研究格柵對噴水推進泵裝置性能的影響，共選取了3個分析斷面，如圖2所示.其中1-1斷面為縱剖面x=0，2-2斷面和3-3斷面為沿水流方向所截取的橫剖面，2-2斷面為流道出口斷面（z=0），3-3斷面為彎管斷面，該斷面與x Oz面之間的夾角β為72.78。.

圖2　分析斷面示意圖Fig.2 Scheme of analysis sections

2.2指標參數(shù)

推進泵的水力性能曲線包括流量揚程特性和流量效率特性，其中揚程H和效率η可由式（1），（2）計算獲得；噴水推進裝置的內(nèi)流場特性參數(shù)包括速度均勻度和加權(quán)平均角，但考慮到彎管斷面上的軸向速度并不垂直于斷面，所以軸向速度不能作為特征速度計算均勻度和加權(quán)平均角，須引入法向速度.在該物理模型的坐標系下，可通過式（3），（4）計算斷面法向速度均勻度van和法向速度加權(quán)平均角θ.van用于評判斷面上的速度均勻程度，該值越大，斷面上的法向速度分布越均勻；而θ為斷面法向速度與斷面之間的夾角，該值越大表明水流的平順度越好.此外，推力也是反映裝置水力性能的重要指標，定義其方向指向 z軸，其大小可由式（5）算出.

式中H為推進泵揚程；pin，t為推進泵進口總壓；pout，t為推進泵出口總壓；ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度；η為推進泵效率；qV為體積流量；T為葉輪上的扭矩；N為水泵葉輪轉(zhuǎn)速；van為法向速度分布均勻度；vn為斷面上的平均法向速度；n為節(jié)點數(shù)；vxi，vyi，vzi分別為斷面各節(jié)點上x，y，z方向上的速度；θ為斷面法向速度加權(quán)平均角；Ft為噴水推進裝置的推力；Anozzle為噴口面積；vout為噴口速度；vs為船速；α為邊界層影響系數(shù).

3　結(jié)果分析與討論

本文所研究的格柵布置于裝置進口唇部上側(cè)，當(dāng)安裝角為0°時，格柵與進口之間的距離H′= 0.16Dpo，柵條為6根，各柵條等距分布，由連接件固定在一起，陰影部分為1-1斷面的格柵橫截面形狀，將格柵的安裝角定義為格柵與水平面之間的夾角，用符號γ表示，如圖3所示，左上方子圖為三維進水流道格柵布置示意圖，右上方子圖為帶有格柵的進水流道剖面圖，下方子圖為γ=0。時的格柵細節(jié)圖.為了研究格柵安裝角對噴水推進泵裝置性能的影響，本文設(shè)置無格柵，γ取0。，5。，10。，15。，20。，共6種方案.

圖3　格柵空間布置及安裝角示意圖Fig.3 Scheme of protecting grid with different angles

3.1內(nèi)流場特性

圖4為各方案泵裝置縱剖面流線圖及軸向速度云圖.通過對比圖4（a）～（f）發(fā)現(xiàn)：各方案縱剖面上的軸向速度分布和流線趨勢相似，可見部分流入流道的水流在唇部轉(zhuǎn)向流出，這是由于唇部幾何形狀較為尖銳，水流在該處發(fā)生流動分離，唇部上側(cè)形成明顯的低速區(qū)；裝置流道進口處的軸向流速最大，沿著水流的方向速度逐漸減??；水流進入彎管段和直管段后速度變化趨勢不再隨水流的方向減小，而是呈現(xiàn)出泵軸上下速度分布不均的規(guī)律，泵軸上側(cè)的流速較小，越靠近上壁，軸向速度越小，與此相對的是，越靠近下壁，軸向速度越大，無格柵方案下側(cè)軸向流速高速區(qū)的范圍明顯大于其他方案.

表1為無格柵方案和格柵在安裝角下彎管斷面（3-3斷面）和流道出口斷面（2-2斷面）上的法向速度均勻度van和法向速度加權(quán)平均角θ的大小.無格柵時，3-3斷面上的van最小，與安裝格柵后的3-3斷面最優(yōu)van相比，相差3.88%.無格柵方案下2-2斷面上的van最大，安裝格柵后，該斷面上van減小，并且隨著安裝角度的增加越來越小，格柵角度為20。時van最小，與無格柵方案相比，降低了14.81%；隨著格柵安裝角度的增加，3-3斷面上的van越來越?。贿@6種方案下，3-3斷面上θ最大值與最小值僅相差0.09%，而2-2斷面上θ最大值與最小值也只相差0.54%.總體而言，各方案3-3斷面上θ要優(yōu)于2-2斷面，究其原因，一方面是因為流速分布較為均勻的水流經(jīng)過彎管段和直管段后還未得到充分地調(diào)整，另一方面則是因為泵軸的旋轉(zhuǎn)會對水流產(chǎn)生一定的干擾；2-2斷面上θ要優(yōu)于3-3斷面，這表明水流的前進方向與斷面垂直度較好，有利于水以平順的流態(tài)流入推進泵.噴口的速度呈二次方關(guān)系.出現(xiàn)上述變化規(guī)律的原因是：隨著安裝角度的增大，裝置的噴口速度增加，即裝置最高效率點所對應(yīng)的流量增加.

圖4　縱剖面流線圖及軸向速度云圖Fig.4 Axial velocity contours with streamline on the middle profile

表13　-3斷面與2-2斷面法向速度均勻度van和法向速度加權(quán)平均角θTab.1 Normal velocity uniformity vanand velocity weighted average angleθ

3

.2 推力性能

由式（5）計算出推進泵最優(yōu)工況BEP（best efficiency point）下的裝置推力大小，以無格柵裝置最優(yōu)工況下的推力FtBEP為基準，計算出各格柵方案在最優(yōu)工況下的相對推力.γ為0。，5。，10。，15。，20。時，各自對應(yīng)的相對推力分別為0.959FtBEP，0.981FtBEP，0.989FtBEP，0.994FtBEP，0.998FtBEP.比較后發(fā)現(xiàn)：隨著安裝角的增加，裝置的推力越來越大.其中安裝角為5。時，推力的增幅最大，當(dāng)安裝角為20。時，裝置的推力大小基本與無格柵時的推力大小相等.由式（5）可知，噴口速度為自變量，其余各物理量均為常數(shù)，推力與

圖5　各安裝角下推進泵的水力性能曲線Fig.5 Hydraulic characteristic curves of propulsion pump for each setting angles

3.3水力性能

各方案推進泵水力性能曲線如圖5所示.在最優(yōu)工況下，安裝角為0。時，推進泵揚程最高，隨著安裝角的增加，揚程變小，與0。相比，20。的推進泵揚程下降了2.64%，但在該安裝角下，裝置揚程仍略高于無格柵裝置，約為0.31%.在小流量工況（0.33qV BEP）到最優(yōu)工況（qV BEP）的過程中，各格柵安裝角下的推進泵效率相差很小，各流量效率曲線基本重合；隨著流量的進一步增加，在1.17qVBEP處，安裝角為20。的格柵方案效率比其他方案略大，該差值在大流量工況（1.33qVBEP）下達到最大，為3.6%.上述分析表明：各安裝角度下，推進泵的水力性能基本相當(dāng).

綜合考慮不同安裝角下噴水推進泵裝置的內(nèi)流場特性、推力性能和水力性能，安裝角為5。時，整體性能較其他安裝角方案優(yōu)越，故將5。作為格柵的推薦安裝角.

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Numerical simulation on the performance of waterjet propulsion system with the protecting grid for different setting angles

LUO Can，CHENG Li*，LIU Chao
（Sch of Hydr，Energy&Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

The protecting grid is used to avoid the impeller damaging from garbage in the water，and it also affects the performance of the waterjet propulsion system.The 3-D geometrical model which consists of the protecting grid，propulsion pump，passage inlet，nozzle and the water body under the ship is built and simulated numerically by CFD software so that the effect of the setting angle of the waterjet propulsion system on the performance of the waterjet propulsion system is discussed. The conclusions below can be draw：the area of high velocity zone on the middle profile of the device with protecting grid decreases and the setting angles have small influence on the area of high velocity.There is an obvious change of the normal velocity distribution on both belt pipe section and passage outlet section when the protecting grid is installed，this kind of change deceases as the setting angles increases.The water flows smoothly on the passage outlet section，but the normal velocity uniformity is not desirable，the trend expands when the protecting grid is installed.The thrust gets smaller when the protecting grid is installed.As the setting angle gets bigger，the thrust recovers to the value of the original case in which there is no protecting grid installed gradually.No evident effect on the hydraulic performance as the setting angle changes.It’s recommended that the setting angle of protecting grid is 5。.

waterjet propulsion system；computational fluid dynmmics；protecting grid；setting angle

U664.34

A

1007-824X（2015）02-0065-05

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2015-01-22.*聯(lián)系人，E-mail：chengli@yzu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51179167）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目；江蘇省高校自然科學(xué)重大項目（12KJA570001）；江蘇省青藍工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人項目；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYLX-1345）；揚州大學(xué)拔尖人才計劃項目.

羅燦，成立，劉超.格柵安裝角對噴水推進泵裝置性能影響的數(shù)值模擬［J］.揚州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，18（2）：65-69.