梁曉峰

摘要：隨著現(xiàn)代船舶制造行業(yè)科技水平的不斷提升，對(duì)船舶的速度性能和隱聲性能等方面提出了更高的要求。噴水推進(jìn)器是船舶制造行業(yè)中的一個(gè)非常重要的設(shè)備，其自身有效率高、振動(dòng)小和噪聲低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，日益受到專業(yè)人員的重視。對(duì)噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能的若干影響因素進(jìn)行研究是改進(jìn)其某些參數(shù)進(jìn)而提高工作效率的重要方面，也是對(duì)其工作性能進(jìn)行改良的原理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：噴水推進(jìn)器；水動(dòng)力性能；影響因素

一直以來噴水器推進(jìn)器的研究主要依靠實(shí)驗(yàn)手段，但是受到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)方法等因素的限制，其實(shí)驗(yàn)效果不大理想，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。基于此，數(shù)值模擬的方法就受到了廣泛的歡迎，一方面它的實(shí)驗(yàn)條件簡單、易于控制，費(fèi)用低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠，另一方面它能夠彌補(bǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究在復(fù)雜流動(dòng)條件下的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是粘性流理論，這也成為在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中比較復(fù)雜的幾何和物理性質(zhì)條件下進(jìn)行精確求解的重要方法。

1.湍流流動(dòng)的數(shù)學(xué)表示

噴水推進(jìn)器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其高速旋轉(zhuǎn)的葉輪會(huì)導(dǎo)致流體狀態(tài)的變化，當(dāng)其表征狀態(tài)的雷諾數(shù)超過臨界值時(shí)，就會(huì)引發(fā)非穩(wěn)態(tài)條件下的湍流，這是一種比較復(fù)雜的水流狀態(tài)，在數(shù)學(xué)表示上，必須基于一定的假設(shè)采用數(shù)學(xué)模型的形式來滿足方程組封閉的條件，把難以確定的值轉(zhuǎn)化為低階的可以確定的數(shù)值。采用Reynolds時(shí)均方程方法來研究噴水推進(jìn)過程中激發(fā)的湍流。

為了表示出流動(dòng)變量，將其轉(zhuǎn)化成時(shí)均值和脈動(dòng)值代數(shù)和的形式：

u= +u′，v= +v′，ω= +ω′，p= +p′

為了表示出時(shí)均連續(xù)方程和雷諾方程，我們?cè)谄渲幸肓藦埩康闹笜?biāo)形式：

其中，脈動(dòng)值的乘積項(xiàng) 被稱為雷諾應(yīng)力，由于它的存在，加大了動(dòng)量方程解算的難度，在處理時(shí)我們采用渦粘流體模型不直接對(duì)其進(jìn)行處理，通過引入渦粘系數(shù)的間接方式，將湍流應(yīng)力表達(dá)成湍流粘度的數(shù)學(xué)函數(shù)，從而建立雷諾應(yīng)力和平均速度梯度之間的數(shù)學(xué)模型。

2.數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候，網(wǎng)格的劃分是一個(gè)非常重要的因素，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞對(duì)數(shù)值模擬的成功具有重要的影響。其中，劃分過于稀疏或者過于稠密都會(huì)給計(jì)算結(jié)果添加附加誤差甚至完全錯(cuò)誤。由于噴水推進(jìn)器內(nèi)部葉輪的形狀不規(guī)則，所以對(duì)于面網(wǎng)格的劃分采用三角形網(wǎng)格的形式，對(duì)于體網(wǎng)格采用四面體/六面體混合型的網(wǎng)格劃分形式。同時(shí)為了滿足計(jì)算精度要求，在一些關(guān)鍵的部位或者研究重點(diǎn)部位采用了網(wǎng)格加密的形式，以便得到重要的流場信息，這樣進(jìn)行設(shè)置的好處是既提高了模型的計(jì)算精度，同時(shí)也避免了在流場變化比較平穩(wěn)時(shí)的冗余計(jì)算。

3.影響噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能的若干因素

3.1葉片安裝角

當(dāng)葉片安裝角度發(fā)生一定變化的時(shí)候，推進(jìn)器的整體動(dòng)力性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。筆者在-4°、-2°、0、+2°、+4°五種參數(shù)狀態(tài)下研究噴水推進(jìn)器的性能變化，得出：隨著葉片安裝角度的增大，推進(jìn)器的揚(yáng)程、功率有提升的現(xiàn)象，在小流量狀態(tài)下，葉片安裝角為負(fù)值時(shí)運(yùn)行效率較高，隨著流量增加，安裝角越大，其效率越高。所以根據(jù)實(shí)際條件將葉片安裝角在一定范圍內(nèi)合理調(diào)整對(duì)噴水推進(jìn)器的工作性能提升是有幫助的。

3.2輪轂比

噴水推進(jìn)器的輪轂比被定義為葉輪輪轂的直徑和葉輪外徑的數(shù)學(xué)比值，在水動(dòng)力性能研究方面，輪轂比是一個(gè)表征內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對(duì)推進(jìn)器的性能有很大的影響。從技術(shù)原理上來看，輪轂比相對(duì)較大的葉輪，其葉片的長度較短，整個(gè)葉輪的通流面積下降，那么因?yàn)槿~片壁面摩擦的能量損失變大，導(dǎo)致推進(jìn)器整體效率下降。而輪轂比如果太小的話，葉片的長度和葉輪的通流面積會(huì)有所增加，因?yàn)槿~片壁面的摩擦造成的損失就會(huì)減小，但是輪轂比如果太小的話，很長的葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會(huì)加大葉片的扭曲程度，使流體規(guī)律性的流動(dòng)更加紊亂，形成二次流現(xiàn)象，對(duì)推進(jìn)器的性能產(chǎn)生消極影響，因此，對(duì)于推進(jìn)器而言，輪轂比太大或者太小都會(huì)對(duì)推進(jìn)器的性能和效率產(chǎn)生影響。

3.3葉片數(shù)

葉片數(shù)也是影響推進(jìn)器水動(dòng)力性能的重要參數(shù)，必須認(rèn)真考慮葉片數(shù)的合理選擇問題。在數(shù)值模擬時(shí)，葉片數(shù)的變化實(shí)際上只反映了葉柵稠密程度的變化。實(shí)驗(yàn)條件下可以在轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，通過改變?nèi)~片數(shù)的數(shù)量設(shè)置來進(jìn)行。其結(jié)果表明：第一，隨著葉片數(shù)的增加，推進(jìn)器的揚(yáng)程、功率和效率都相應(yīng)增加，但是效率增加的幅度不大，也就是說葉片數(shù)變化對(duì)效率的影響作用不是很大。第二，推進(jìn)器的葉片在增加的過程中，流量-揚(yáng)程曲線逐漸在流量比較大時(shí)趨近于一點(diǎn)。第三，盡管揚(yáng)程、功率和效率隨著葉片數(shù)增加而相應(yīng)增加，但是增加的幅度是隨之減小的，因?yàn)樵诖罅髁康臈l件下，葉片的數(shù)量越多，其在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰葉片越容易產(chǎn)生相互之間的干擾，導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生，使推進(jìn)器的性能參數(shù)發(fā)生一系列的變化。

3.4徑向間隙

徑向間隙是指推進(jìn)器的葉片頂端到泵殼之間在徑向上的間隙值，盡管它的數(shù)值不是很大，但是對(duì)通道內(nèi)的流體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大影響。比如：葉尖間隙流動(dòng)會(huì)造成葉尖附近的功率值減小，使通道內(nèi)的損耗增加乃至堵塞，對(duì)噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程、效率等性能參數(shù)影響顯著。徑向間隙導(dǎo)致了葉頂泄露流動(dòng)的發(fā)生，究其原因是因?yàn)樗鲝耐ǖ纼?nèi)壓力側(cè)一面流入間隙時(shí)速度會(huì)發(fā)生非常大的變化，分離后又在某一位置重新附著，泄露流和二次流之間的相互作用以及它們之間的復(fù)雜關(guān)系，最終形成了泄露渦。通過對(duì)不同的徑向間隙進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算表明：間隙的不斷增大，推進(jìn)器的揚(yáng)程、功率和效率性能參數(shù)都下降，且幅度比較大。

4.結(jié)語

本文對(duì)噴水推進(jìn)器的影響因素進(jìn)行了探討，重點(diǎn)論述了在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)的模型選擇、參數(shù)設(shè)置以及若干影響因素的作用機(jī)理，希望對(duì)推進(jìn)器的研究工作有所幫助。

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