，，，

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

噴水推進(jìn)在高速高性能船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。噴水推進(jìn)器主要由噴水推進(jìn)泵(以下稱(chēng)為噴泵)和進(jìn)水流道兩部分構(gòu)成。噴泵是噴水推進(jìn)核心部件，噴泵對(duì)效率、揚(yáng)程、流量、抗空化等方面有較高要求，設(shè)計(jì)難度較大[4-5]。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)發(fā)展很快，與傳統(tǒng)水力模型試驗(yàn)相比，其周期短，耗資較少，CFD在船舶噴水推進(jìn)技術(shù)研發(fā)、預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日趨廣泛。在以前葉片進(jìn)口邊位置和形狀主要憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)性能曲線(xiàn)的影響只有試驗(yàn)后才知曉[6]。在理論上，通過(guò)泵氣蝕余量公式，認(rèn)為修圓葉片進(jìn)口外圓部分可以提高葉片的抗汽蝕性能[7]。楊軍虎等[8]利用CFD軟件FLUENT對(duì)低轉(zhuǎn)速軸流泵進(jìn)行過(guò)葉片外緣修圓對(duì)性能的影響進(jìn)行過(guò)研究，重點(diǎn)對(duì)葉頂間隙的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。國(guó)外Angelo Cervone、Giovanni Pace等利用水力試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)邊幾何形狀對(duì)空化特性影響較大。對(duì)于高轉(zhuǎn)速軸流式噴水推進(jìn)泵，空化是非常重要的考慮因素，葉片導(dǎo)邊形狀對(duì)該空化性能和水力性能之間的影響研究報(bào)道仍比較少。為了研究導(dǎo)邊形狀對(duì)水力效率和空化性能的影響情況，文中運(yùn)用CFD方法，通過(guò)改變某高速摩托艇噴水推進(jìn)泵導(dǎo)邊形狀，研究導(dǎo)邊形狀對(duì)該類(lèi)噴水推進(jìn)泵敞水效率和空化性能的影響,為高轉(zhuǎn)速泵的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化提供基本參考。

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

流體流動(dòng)須遵守質(zhì)量守恒規(guī)律，動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。控制方程即為這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程(也稱(chēng)Navier-Stokes方程，簡(jiǎn)稱(chēng)N-S方程)。在定常條件下，選用不可壓縮的三維連續(xù)方程和RANS方程模擬噴水推進(jìn)泵內(nèi)流場(chǎng)。

1)質(zhì)量守恒方程。

▽·(ρV)=0

(1)

2)動(dòng)量守恒方程(N-S方程)。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

1.2 湍流模型

利用有限體積法對(duì)RANS偏微分方程進(jìn)行離散，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。所有算例都采用SST(shear stress transport)模型來(lái)封閉方程組。SST模型結(jié)合了κ-ε模型和κ-ω模型的優(yōu)點(diǎn), 在近壁面區(qū)域，采用κ-ω模型模擬，湍流耗散較小，收斂性好。在湍流充分發(fā)展區(qū)域，采用κ-ε模型，計(jì)算效率高，對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的適應(yīng)性更好。兩種模型的結(jié)合能夠較好地模擬粘性底層的流動(dòng)[9]。SST模型的最大優(yōu)點(diǎn)就在于考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會(huì)對(duì)渦流黏度造成過(guò)度預(yù)測(cè)[10]。研究采用高階SST模型。

1.3 CFD方法驗(yàn)證

在對(duì)該高速摩托艇軸流式噴泵進(jìn)行CFD計(jì)算前，先以KaMeWa71SⅡ型噴水推進(jìn)器的混流式噴水推進(jìn)泵為例對(duì)其水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與廠商提供的噴水推進(jìn)器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證所用方法和模型的可信性。

KaMeWa71SII型噴水推進(jìn)器的混流式噴水推進(jìn)泵幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 KaMeWa71SII幾何模型

該噴泵葉輪進(jìn)口直管處直徑為710 mm，葉輪有6片，導(dǎo)葉11片。該噴泵流體性能數(shù)值計(jì)算的幾何分為噴口、導(dǎo)葉、葉輪以及本文為計(jì)算敞水性能所添加的進(jìn)口直管。噴口和進(jìn)口直管都用ICEM軟件，劃分六面體網(wǎng)格。導(dǎo)葉部和葉輪部用TurboGrid軟件劃分六面體網(wǎng)格，對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算

經(jīng)計(jì)算葉輪網(wǎng)格至少需要70萬(wàn)，本研究該葉輪網(wǎng)格實(shí)取98.3萬(wàn)。其他部件的網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表1。

邊界條件為總壓進(jìn)口，靜壓出口。時(shí)間步按CFX推薦設(shè)置，設(shè)為物理時(shí)間1/ω(ω為轉(zhuǎn)速，(°)/s)。

噴水推進(jìn)泵軸功率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，計(jì)算值與廠商提供數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在1.5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程要求。故從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，該方法計(jì)算水動(dòng)力特性是可信的。

表1 各部分網(wǎng)格數(shù)

表2 CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

2 CFD模擬計(jì)算

研究對(duì)象為某高速摩托艇噴水推進(jìn)器的噴水推進(jìn)泵，其轉(zhuǎn)速較高，額定轉(zhuǎn)速為7 500 r/min。僅以該軸流式泵體的敞水性能為研究對(duì)象。該噴水推進(jìn)泵為單級(jí)軸流泵，通過(guò)改變導(dǎo)邊的修圓情況，研究導(dǎo)邊對(duì)該泵性能的影響。

2.1 幾何建模

根據(jù)摩托艇噴水推進(jìn)器幾何，利用CAD三維建模軟件UG進(jìn)行幾何建模。噴泵分為葉輪體、導(dǎo)葉體和噴口段3部分。噴泵葉輪葉片為3片，導(dǎo)葉為6片，噴口段也對(duì)應(yīng)設(shè)置了6片二級(jí)導(dǎo)葉以加強(qiáng)整流效果。該軸流式噴泵尺寸較小，葉輪直徑為155.5 mm，葉頂間隙為0.5 mm。導(dǎo)葉體和噴口段幾何模型見(jiàn)圖3，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖3 噴水推進(jìn)泵幾何模型

圖4 噴水推進(jìn)泵網(wǎng)格

對(duì)于該噴泵葉輪的建模分為修圓導(dǎo)邊幾何與未修圓導(dǎo)邊的幾何。原噴泵幾何為葉輪a。葉輪a較未修圓幾何葉片(以下稱(chēng)為葉輪c)在導(dǎo)邊形狀上有較大改變，導(dǎo)邊形狀為“c”字形。葉輪b修圓程度介于葉輪a、c之間，見(jiàn)圖5。

圖5 葉輪a、葉輪b、葉輪c單通道幾何

2.2 網(wǎng)格劃分

葉輪和導(dǎo)葉用ANSYS 12.0軟件中專(zhuān)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械劃分網(wǎng)格的CFX-TurboGrid軟件。由于葉輪扭曲程度較大，故采用J型拓?fù)?，?dǎo)葉采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。噴口由于包含了二級(jí)導(dǎo)葉，幾何較為復(fù)雜，用ICEM軟件，四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在壁面邊界用菱柱形網(wǎng)格進(jìn)行加密，對(duì)細(xì)小部件用密度盒加密，確保對(duì)幾何描述的準(zhǔn)確性。在對(duì)葉輪葉片網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析中，通過(guò)對(duì)葉輪a單通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)定變化，對(duì)計(jì)算的軸力矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，力矩變化波動(dòng)見(jiàn)圖6。

圖6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算

經(jīng)計(jì)算葉輪總網(wǎng)格至少需70.8萬(wàn)節(jié)點(diǎn)，本研究實(shí)取80.5萬(wàn)以上。其他部分取較大的網(wǎng)格數(shù)以保證網(wǎng)格滿(mǎn)足要求。具體網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)見(jiàn)表3。

表3 具體網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)

2.3 邊界條件設(shè)置

對(duì)噴泵敞水性能進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為保證均勻流動(dòng)，在葉輪進(jìn)口前加直管進(jìn)流道，管徑與葉輪進(jìn)口直徑相等，長(zhǎng)度在2倍直徑以上。采用邊界條件為流量進(jìn)口，靜壓出口邊界條件，葉輪葉片與輪轂為相對(duì)靜止壁面條件，泵殼設(shè)為絕對(duì)靜止壁面條件。在計(jì)算空化性能時(shí)，在原有基礎(chǔ)上加入空化模型進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

噴泵的敞水性能指孤立泵在均勻進(jìn)流條件下的性能，即不加進(jìn)水流道的水力性能。模擬計(jì)算噴泵在7 500 r/min的情況下，噴泵葉輪分別采用葉輪a、b和c計(jì)算流量190～230 kg/s的軸功率、揚(yáng)程和效率，見(jiàn)圖7～9。

圖7 軸功率對(duì)比

圖8 揚(yáng)程對(duì)比

圖9 效率對(duì)比

分析發(fā)現(xiàn)，葉輪a、b和c的功率和揚(yáng)程都有微小變化。葉輪a的功率最大，葉輪c的功率最小。因?yàn)樵撦S流式噴泵的葉片包角較大，修圓導(dǎo)邊后造成葉片做功面積減小，但進(jìn)流角相對(duì)于葉輪c會(huì)變大，在這兩種作用的綜合作用下，造成該泵的功率在葉輪a的情況下所需功率最大。

分析還發(fā)現(xiàn)修圓導(dǎo)邊對(duì)該裸泵的工作點(diǎn)效率影響微小，但在小于工況點(diǎn)的流量時(shí)，效率明顯低于未修圓導(dǎo)邊。分析認(rèn)為葉輪外緣修圓后，泄漏流動(dòng)加強(qiáng)，降低了做功效率。

為進(jìn)一步計(jì)算導(dǎo)邊形狀對(duì)空化性能的影響，在原計(jì)算模型的基礎(chǔ)上加入空化模型，分析葉片在最高效率工況點(diǎn)，流量為210 kg/s時(shí)的空化情況見(jiàn)圖10。

圖10 空化對(duì)比

從空化的對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn)，葉片空化都發(fā)生在葉稍和導(dǎo)邊部分，葉輪c的空化面積明顯最多，葉輪a空化面積最小，這與用理論分析的情況一致。一方面，流進(jìn)葉輪的液體先與導(dǎo)邊中部接觸，獲得能量后一部分液體沿著導(dǎo)邊向葉稍方向流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)能量增加了，壓力也增加了，延遲了空化的發(fā)生；另一方面通過(guò)后處理葉輪的流場(chǎng)矢量，可以發(fā)現(xiàn)在葉稍處流動(dòng)非常劇烈，葉輪a的弧形導(dǎo)邊相對(duì)于葉輪c的直線(xiàn)導(dǎo)邊可以明顯地減少來(lái)流的沖擊，削弱了二次流的影響，見(jiàn)圖11。

圖11 葉輪流場(chǎng)矢量

葉頂部分是做功和流動(dòng)最強(qiáng)烈的地方，葉片外緣導(dǎo)邊部分修圓以后，造成葉片葉稍卸載，減小了空化發(fā)生面積。

4 結(jié)論

1)對(duì)于高轉(zhuǎn)速的軸流泵，修圓導(dǎo)邊的葉片對(duì)軸流泵的功率和揚(yáng)程有微小的影響，會(huì)造成小于工作點(diǎn)流量時(shí)的效率降低；

2)修圓導(dǎo)邊的葉片在空化性能上優(yōu)于直導(dǎo)邊的葉片，空化面積明顯減少，有利于葉片葉稍卸載。

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