浸沒式噴水推進自航試驗及數(shù)值模擬

易文彬，王永生，劉承江，彭云龍

（海軍工程大學動力工程學院，武漢430033）

浸沒式噴水推進自航試驗及數(shù)值模擬

易文彬，王永生，劉承江，彭云龍

（海軍工程大學動力工程學院，武漢430033）

浸沒式噴水推進器與船體高度融合，難以通過試驗的方法測量推進器各部件受力，因此文中采用船模水池試驗和數(shù)值模擬相結合的方法來分析浸沒式噴水推進的水動力特點。該文首先開展了船模拖曳阻力試驗，測量了船模阻力、縱傾角及重心升沉。然后開展船模自航試驗，測量了船?？v傾角、升沉及軸的轉速、力矩、推力等數(shù)據(jù)?；贑FX軟件，對拖曳阻力試驗及船模自航試驗進行了數(shù)值模擬。在四個不同航速下的數(shù)值模擬中，阻力計算誤差在3.7%以內(nèi)，軸推力計算誤差在2.7%以內(nèi)，軸力矩計算誤差在4.6%以內(nèi)，試驗測量值和CFD預報值吻合較好。通過數(shù)值模擬可以進一步得到浸沒式噴水推進器上各部件的受力情況，泵的流量、揚程及其它流場信息，克服了浸沒式噴水推進器推力測量和流場測量的困難。

CFD；自航試驗；浸沒式；噴水推進

0 引言

噴水推進以其推進效率高、抗空化性能好、水下輻射噪聲低、操縱性好和船外無附體適合淺水航行等優(yōu)點，已成為國外高速高性能艦船首選的推進方式[1-2]。相對于常規(guī)尾板式噴水推進器，浸沒式噴水推進器的噴口置于船底水下，避免了進水流道中水流因位置提高和流向改變所引起的進水流道較大的流動損失，可進一步提高噴水推進在中低航速下的推進效率。采用浸沒式設計后進水口處來流壓頭提高，降低了噴水推進器空化的風險。此外受噴泵外殼屏蔽作用水下射流表現(xiàn)出良好的聲學特性，也不會出現(xiàn)尾板式噴水推進明顯的水面尾跡。因此浸沒式噴水推進技術有助于改善艦艇的推進性能和水下聲輻射性能[3]。

漢堡JAFO科技公司（1994）在BMBF的資助下研制了線性噴泵（LINEAR-Jet）的浸沒式噴水推進器作為平底高速船的推進系統(tǒng)，并在德國波茨坦造船試驗研究所進行了試驗[4]。Roll-Royce公司為美國海軍開發(fā)了AWJ-21TM的完全水下噴射的先進噴水推進器。AWJ-21TM由混流泵、噴口及轉向倒車機構組成，并安裝在與船體高度集成的流線型吊艙內(nèi)。AWJ-21TM已經(jīng)進行了模型試驗，并在美國海軍42 m長的先進電力演示艦上進行了評估[3]。德國Voith公司研發(fā)新型水下噴射大功率噴水推進器，主要用于航速在20-40 Kn之間的船舶。它由一個特制的加速或減速導管、一個葉輪和導葉組成，完全浸沒在水中，能實現(xiàn)進出流在同一直線方向，具有推進效率高、振動噪聲性能好等優(yōu)點[5]。

考慮到浸沒式噴水推進器的工作特點與常規(guī)的尾板式噴水推進器有較大的不同，浸沒式噴水推進器的自航試驗推力測量不能運用常規(guī)尾板式噴水推進自航試驗所采用的動量流量法[6]。而采用直接測量推進器推力的方法技術難度大，裝置復雜，難以實現(xiàn)預期目的。本文采用船模自航試驗與CFD相結合的方法來分析浸沒式噴水推進的特點[7]。首先通過船模自航試驗測量船模的升沉、縱傾以及軸轉速、力矩及推力，然后通過數(shù)值計算得到噴泵流量等未測量的流場數(shù)據(jù)。船模試驗與數(shù)值模擬既能相互驗證，也能相互補充，取得了較好研究效果。

1 數(shù)學模型及控制方程

基于RANS進行數(shù)值求解，采用有限體積法離散控制方程，不可壓縮粘性流體的控制方程如下：

公式（1）和（2）分別為連續(xù)性方程和動量方程。式中：ui分別為流體質點在i方向的速度分量，fi是質量力；p為流體的壓力；μ是相體積分數(shù)平均的動力粘度系數(shù)；μt為湍流動力粘性系數(shù)。

上述方程需要結合湍流模型封閉方程組。本文選取應用較廣的k-ω SST兩方程湍流模型，具體方程可以查閱CFX的幫助文件[8]。

2 浸沒式噴水推進試驗

2.1 幾何模型

試驗模型的主尺度如表1所示，該船模采用單泵推進，泵葉片數(shù)為3葉，導葉數(shù)為6葉。相對于常規(guī)尾板式噴水推進，浸沒式噴水推進在水下噴射水流，泵安裝在與船體高度融合的吊艙中。試驗在華中科技大學船模拖曳水池中進行。

表1 試驗船模的主尺度Tab.1 Main parameters of ship model

2.2 浸沒式噴水推進船模拖泵阻力試驗

考慮到浸沒式噴水推進船型中葉輪和導葉所在的吊艙外形結構與船尾外形結構完全融合，因此船模拖曳阻力試驗時應包括船尾吊艙部分。而泵與吊艙是同時安裝加工的，無法拆分，因此在阻力試驗中也包含葉輪自由旋轉時的拖轉阻力。在浸沒式噴水推進船模拖泵阻力試驗中，葉輪保持自由旋轉，測量了不同航速下船模的縱傾角、升沉及總阻力。測量數(shù)據(jù)見表2，其中對2.348 m/s，2.817 m/s和3.005 m/s這三個航速進行了兩次拖曳試驗?？v傾角以尾傾為正，升沉以上浮為正。

圖1 試驗船模示意圖Fig.1 Geometry of ship model

表2 船模各航速下拖曳阻力及航行姿態(tài)Tab.2 Drag and attitude of ship model

2.3 浸沒式噴水推進船模自航試驗

采用強迫自航法共做了四個不同速度的自航試驗（1.690 m/s，2.348 m/s，2.817 m/s，3.005 m/s），每個航速下給定3-5個泵的轉速，得到不同轉速下的強制力，葉輪推力和力矩。保證摩擦阻力修正值在這幾個強制力之間，進而插值得到該航速船模自航時的轉速[9]。浸沒式噴水推進器產(chǎn)生推力的部件應包括流道、吊艙、葉輪、導葉、噴口等部件。由于導葉，噴口，流道，吊艙等與船模剛性固定，難以測得其上的力，故在自航試驗中僅測量軸上推力，力矩，船模的強制力，縱傾角及重心處的升沉。推進器總推力及其它流場信息可通過后續(xù)的CFD計算得到。

根據(jù)各航速下測量的數(shù)據(jù)，可以插值得到該航速下的轉速、力矩、葉輪推力及船?？v傾、重心升沉等數(shù)據(jù)，見表3。

表3 各航速下船模自航點Tab.3 Self-propulsion point at different speeds

圖2 自航及拖泵狀態(tài)下船?？v傾角Fig.2 Trim of model at different speeds

圖3 自航及拖泵狀態(tài)下船模升沉Fig.3 Sinkage of model at different speeds

對比阻力試驗和自航試驗船模的姿態(tài)變化，可以看到：自航和拖泵工況下泵的轉速和流量有較大的差別，船模的縱傾角有一定變化，自航狀態(tài)下船模升沉略大于拖泵工況下船模升沉，主要原因是自航時推進器抽吸作用使得水流加速，導致船底壓力下降。

3 浸沒式噴水推進數(shù)值模擬

按照船模試驗的實際尺寸幾何建模并進行網(wǎng)格劃分。由于船模尾部有吊艙及軸的存在，劃分結構化網(wǎng)格較為困難，因此在船模周圍采用非結構化網(wǎng)格，計算域外圍采用結構化網(wǎng)格以減小計算量。圖4為船模表面網(wǎng)格，在船艏、船艉和水線附近進行了網(wǎng)格加密，有利于捕捉興波及船首尾壓力分布。葉輪及導葉在Turbogrid中進行結構化網(wǎng)格劃分。采用CFX軟件進行數(shù)值求解，整個計算域網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為846萬。

圖4 船模表面網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Grids on ship model surface

計算區(qū)域入口取船艏向前延伸1倍船長處，出口取船艉向后延伸3倍船長處，側邊界及下方邊界均取1.2倍船長，上方邊界取水線上方0.8倍船長[10-11]。進口邊界條件為速度進口，出口邊界條件為壓力出口。采用VOF的方法來追蹤自由液面，湍流模型采用k-ω SST模型，對流項離散選用二階離散格式。

對1.69 m/s，2.348 m/s，2.817 m/s和3.005 m/s四個航速下船模的拖曳阻力進行了數(shù)值計算。在船模拖曳阻力試驗中，葉輪與電機脫開，保持自由旋轉。在數(shù)值計算的過程中，葉輪的轉速、船模的縱傾角及重心升沉均按照試驗測量值進行設置。計算介質為16攝氏度的水（密度為1 018.6 kg/m3，運動粘性系數(shù)為1.084 2E-6 m2/s）。

表4為船模阻力計算值與試驗值的對比。雖然拖泵狀態(tài)下流動較為紊亂，但是總阻力的計算值與試驗值偏差在3.7%以內(nèi)。表5為浸沒式噴水推進船模自航狀態(tài)下軸推力、力矩計算值與試驗值的對比。在所比較的四個航速的自航試驗數(shù)據(jù)，軸推力CFD計算值和試驗值誤差不大于2.7%，軸力矩CFD計算值和試驗值誤差不大于4.6%。數(shù)值模擬結果與船模試驗吻合較好。其中流量為通過推進器葉輪的流量。葉輪及軸上推力只是推進器總推力的一個部分，因此兩者差別較大。與船模試驗相比，數(shù)值模擬可以較為精確地得到泵流量、揚程及各部件上的受力，同時也可以得到浸沒式噴水推進的流場分布。

表4 浸沒式噴水推進船模阻力計算Tab.4 Resistance prediction of ship model

表5 浸沒式噴水推進船模自航計算Tab.5 Self-propulsion prediction of ship model

圖5為船尾興波試驗值與計算值的對比（V=2.817 m/s，n=994 rpm），船尾興波的計算值與試驗值吻合較好。圖6為船模興波及流線示意圖。相對于尾板時噴水推進，浸沒式噴水推進器流道較短，沒有折轉和彎曲，進流較為平直。浸沒式噴水推進器在水下噴射水流，沒有明顯尾跡，對削弱噴水推進艦船尾跡具有重要意義。

圖5 船尾興波的試驗值與計算值（V=2.817 m/s）Fig.5 Stern wave making of test and calculation

圖6 V=2.817 m/s，n=994 rpm船尾流線Fig.6 Streamline near ship stern

以V=2.817 m/s，n=994 rpm為例，比較泵裝船后性能變化，具體數(shù)據(jù)見表6。在流量相同的情況下，自航時泵的揚程及力矩都有所增大，效率有所下降，主要原因是裝船后進流不均勻度較大。圖7為葉輪前方進流速度分布，受船體邊界層及泵抽吸的影響，泵前方進流產(chǎn)生了較大的不均勻度。圖8為泵表面壓力分布情況，葉背靠導邊處存在少部分低壓區(qū)，但是均高于空化壓力。

表6 敞水泵與船后泵性能對比Tab.6 Performance change of pump

圖7 葉輪前方進流速度分布Fig.7 Inflow velocity coutour before rotor

圖8 噴泵表面壓力分布Fig.8 Pressure coutour of pump

4 結論

本文采用船模自航試驗與CFD計算相結合的方法來分析浸沒式噴水推進器的水動力特性,得到以下結論。

（1）通過物理試驗和數(shù)值計算相結合的方法，可以獲得浸沒式噴水推進器各部件受力及詳細的流場信息，克服了浸沒式噴水推進船模試驗推進器推力測量和流場測量的難題。物理試驗與數(shù)值計算既相互驗證又相互補充，為浸沒式噴水推進器水動力性能研究進行了有益的探索。

（2）在同一航速下的船模自航試驗中船模的縱傾及升沉相對于阻力試驗均有所變化，其中自航狀態(tài)下船模升沉略大于拖泵工況下船模升沉，主要原因是自航時推進器抽吸作用使得水流加速，導致船底壓力下降。

（3）比較敞水泵和船后泵的水力效率，在相同流量下船后泵的水力效率略有降低，主要是船后泵進流不均勻性較大，敞水效率有所降低。

（4）浸沒式噴水推進水流在船底噴出，相對于尾板式噴水推進沒有明顯尾跡。

（5）采用數(shù)值模擬的方法計算了浸沒式噴水推進船模阻力試驗及自航試驗，并將計算結果與試驗值進行比較，阻力、推力及力矩等參數(shù)均吻合較好：阻力誤差不大于3.7%，推力誤差不大于2.7%，力矩誤差不大于4.6%。該模型試驗證實了數(shù)值計算的可信性和有效性。

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Submerged waterjet self-propulsion test and numerical simulation

YI Wen-bin,WANG Yong-sheng,LIU Cheng-jiang,PENG Yun-long
(College of Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Because the submerged waterjet propulsor is fully integrated in the ship,the force on propulsor is hard to measure in towing tank test.In this paper,towing tank test method and numerical simulation method were combined to predict the performance of submerged waterjet.The resistance,trim angle and sinkage of ship model were measured in towed resistance test.And the self-propulsion test was conducted and the rotation speed,torque and thrust of shaft,etc.were measured.The towed resistance test and selfpropulsion test were numerically simulated based on CFX software.The predicted resistance error was within 3.7%,the shaft thrust error was within 4.7%and the shaft torque error was within 4.6%at four different speeds.Proved by towing tank test,numerical simulation could get the thrust of submerged waterjet propulsor,massflow,head and other flow field information in addition,solving the difficulties in measuring thrust and flow field.

CFD;self-propulsion test;submerged;waterjet

U661.3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.004

1007-7294（2017）04-0407-06

2016-11-27

國家自然科學基金資助項目（51209212）

易文彬（1990-），男，博士研究生，E-mail：yiwenbinhjgc@163.com；王永生（1955-），男，教授，博士生導師。