對影響噴水推進器水動力性能的若干因素的探討

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。噴水推進器是船舶制造行業(yè)中的一個非常重要的設備，其自身有效率高、振動小和噪聲低等一系列的優(yōu)點，日益受到專業(yè)人員的重視。對噴水推進器水動力性能的若干影響因素進行研究是改進其某些參數(shù)進而提高工作效率的重要方面，也是對其工作性能進行改良的原理基礎。

關鍵詞：噴水推進器；水動力性能；影響因素

一直以來噴水器推進器的研究主要依靠實驗手段，但是受到實驗模型、實驗條件、實驗方法等因素的限制，其實驗效果不大理想，難以滿足實際生產(chǎn)的需要?；诖?，數(shù)值模擬的方法就受到了廣泛的歡迎，一方面它的實驗條件簡單、易于控制，費用低，實驗結果比較可靠，另一方面它能夠彌補理論研究和實驗研究在復雜流動條件下的缺點?，F(xiàn)在數(shù)值模擬的數(shù)學基礎是粘性流理論，這也成為在船舶推進系統(tǒng)中比較復雜的幾何和物理性質條件下進行精確求解的重要方法。

1.湍流流動的數(shù)學表示

噴水推進器在正常運轉時，其高速旋轉的葉輪會導致流體狀態(tài)的變化，當其表征狀態(tài)的雷諾數(shù)超過臨界值時，就會引發(fā)非穩(wěn)態(tài)條件下的湍流，這是一種比較復雜的水流狀態(tài)，在數(shù)學表示上，必須基于一定的假設采用數(shù)學模型的形式來滿足方程組封閉的條件，把難以確定的值轉化為低階的可以確定的數(shù)值。采用Reynolds時均方程方法來研究噴水推進過程中激發(fā)的湍流。

為了表示出流動變量，將其轉化成時均值和脈動值代數(shù)和的形式：

u= +u′，v= +v′，ω= +ω′，p= +p′

為了表示出時均連續(xù)方程和雷諾方程，我們在其中引入了張量的指標形式：

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

2.數(shù)值模擬的參數(shù)設置

在進行數(shù)值模擬的時候，網(wǎng)格的劃分是一個非常重要的因素，網(wǎng)格劃分質量的好壞對數(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給計算結果添加附加誤差甚至完全錯誤。由于噴水推進器內(nèi)部葉輪的形狀不規(guī)則，所以對于面網(wǎng)格的劃分采用三角形網(wǎng)格的形式，對于體網(wǎng)格采用四面體/六面體混合型的網(wǎng)格劃分形式。同時為了滿足計算精度要求，在一些關鍵的部位或者研究重點部位采用了網(wǎng)格加密的形式，以便得到重要的流場信息，這樣進行設置的好處是既提高了模型的計算精度，同時也避免了在流場變化比較平穩(wěn)時的冗余計算。

3.影響噴水推進器水動力性能的若干因素

3.1葉片安裝角

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

3.2輪轂比

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

3.3葉片數(shù)

葉片數(shù)也是影響推進器水動力性能的重要參數(shù)，必須認真考慮葉片數(shù)的合理選擇問題。在數(shù)值模擬時，葉片數(shù)的變化實際上只反映了葉柵稠密程度的變化。實驗條件下可以在轉速保持不變的情況下，通過改變?nèi)~片數(shù)的數(shù)量設置來進行。其結果表明：第一，隨著葉片數(shù)的增加，推進器的揚程、功率和效率都相應增加，但是效率增加的幅度不大，也就是說葉片數(shù)變化對效率的影響作用不是很大。第二，推進器的葉片在增加的過程中，流量-揚程曲線逐漸在流量比較大時趨近于一點。第三，盡管揚程、功率和效率隨著葉片數(shù)增加而相應增加，但是增加的幅度是隨之減小的，因為在大流量的條件下，葉片的數(shù)量越多，其在正常運轉時，相鄰葉片越容易產(chǎn)生相互之間的干擾，導致渦流的產(chǎn)生，使推進器的性能參數(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，但是對通道內(nèi)的流體流動會產(chǎn)生較大影響。比如：葉尖間隙流動會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，對噴水推進器的揚程、效率等性能參數(shù)影響顯著。徑向間隙導致了葉頂泄露流動的發(fā)生，究其原因是因為水流從通道內(nèi)壓力側一面流入間隙時速度會發(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雜關系，最終形成了泄露渦。通過對不同的徑向間隙進行數(shù)值模擬計算表明：間隙的不斷增大，推進器的揚程、功率和效率性能參數(shù)都下降，且幅度比較大。

4.結語

本文對噴水推進器的影響因素進行了探討，重點論述了在進行數(shù)值模擬計算時的模型選擇、參數(shù)設置以及若干影響因素的作用機理，希望對推進器的研究工作有所幫助。

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