噴水推進(jìn)進(jìn)口流道傾斜角對(duì)其效率影響分析

汲國(guó)瑞，蔡佑林，李　寧，尹曉輝，俞　瑜（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00011；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海　200011；3. 噴水推進(jìn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00011 ）

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噴水推進(jìn)進(jìn)口流道傾斜角對(duì)其效率影響分析

汲國(guó)瑞1,2，蔡佑林2,3，李寧2,3，尹曉輝2,3，俞瑜2,3
（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200011；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011；3. 噴水推進(jìn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200011 ）

摘要:噴水推進(jìn)進(jìn)口流道特征參數(shù)較多，各參數(shù)之間相互聯(lián)系，當(dāng)改變其中某個(gè)特征參數(shù)時(shí)，其他參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。本文通過(guò)推導(dǎo)得出各特征參數(shù)之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，在給定進(jìn)口流道特征直徑 D、流道高度H、流道總長(zhǎng)度 L 的條件下，以流道傾斜角為變量，開(kāi)展進(jìn)口流道的設(shè)計(jì)和建模，借助 CFD 技術(shù)研究進(jìn)口流道效率與流道傾斜角之間關(guān)系。研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)進(jìn)口流道效率會(huì)隨著流道傾斜角的增加而降低，但是下降幅度不大。這一重要結(jié)論對(duì)進(jìn)口流道結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力權(quán)衡設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：噴水推進(jìn)；進(jìn)口流道；傾斜角；效率

0　引　言

噴水推進(jìn)是一種廣泛應(yīng)用于中高速船舶、具有時(shí)代特征的先進(jìn)推進(jìn)方式，由以噴水推進(jìn)器為核心的噴水推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與操縱的雙重功能。噴水推進(jìn)器[1]由進(jìn)口流道、推進(jìn)泵、噴口組成，進(jìn)口流道水動(dòng)力性能對(duì)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率有很大影響[2]。進(jìn)口流道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅會(huì)直接影響流道的能量損失，也會(huì)對(duì)下游進(jìn)入推進(jìn)泵水流的均勻度與能量有明顯作用，會(huì)影響推進(jìn)泵流場(chǎng)的穩(wěn)定性和抗空泡性能。而描述進(jìn)口流道的參數(shù)很多，且各參數(shù)之間相互聯(lián)系，改變其中一個(gè)參數(shù)其他參數(shù)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變，這使得進(jìn)口流道效率的研究很復(fù)雜，也是進(jìn)口流道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因此必須對(duì)進(jìn)口流道各參數(shù)之間的關(guān)系以及進(jìn)口流道傾斜角對(duì)效率的影響做研究，這將對(duì)工程設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。

1　進(jìn)口流道傾斜角與其他特征參數(shù)之間的關(guān)系

描述噴水推進(jìn)進(jìn)口流道的主要參數(shù)如圖1 所示，共有 13 個(gè)。流道傾斜角 α 為進(jìn)口流道軸線與船底板夾角。流道總長(zhǎng) L、流道高度 H、流道特征直徑 D 與裝置規(guī)格和布置安裝有關(guān)，在設(shè)計(jì)進(jìn)口流道之前已經(jīng)確定，設(shè)計(jì)時(shí)，這 3 個(gè)值保持不變。

圖1 中：L1為水平直管段長(zhǎng)度；R1為背部圓弧彎管段半徑；L2為背部?jī)A斜直管段長(zhǎng)度；R2為背部與船底倒圓半徑；R1–D為下側(cè)圓弧彎管段半徑。L3為下側(cè)傾斜直管段長(zhǎng)度；R3為唇口上部倒圓半徑；h為唇口上部倒圓圓心與船底垂直距離；R4為唇口下部倒圓半徑；L0為流道進(jìn)口長(zhǎng)度；

如圖2 所示（圖中虛線為輔助線），背部線型在水平方向上滿足

圖2　進(jìn)口流道背部尺寸示意圖Fig. 2　The back dimensions of inlet duct

在豎直方向上滿足，

對(duì)于唇口部分如圖3 所示，同樣在豎直方向上滿足，

在圖4（a）中，點(diǎn) E 為圓弧 R4與船底切點(diǎn)，點(diǎn) B在點(diǎn) E 豎直上方 h 處，A 為圓弧 R4圓心，C 為圓弧 R3圓心。在直角三角形 ABC 中滿足勾股定理，

圖3　唇口尺寸示意圖Fig. 3　The lip dimensions of inlet duct

圖4　唇口局部示意圖Fig. 4　The local dimensions of lip

從圖4（a）中可得出：

在圖4（b）中有

將式（5）、式（6）、式（7）代入到式（4）中可得：

式（1）、式（2）、式（3）、式（8）是 4 個(gè)獨(dú)立的方程，共包含 13 個(gè)參數(shù)，其中流道特征直徑 D、流道高度 H、流道總長(zhǎng)度 L 這 3 個(gè)參數(shù)與船體總布置有關(guān)，當(dāng)傾斜角 α 發(fā)生變化時(shí)，這3個(gè)參數(shù)保持不變，其余 9 個(gè)參數(shù)隨傾斜角變化。在研究流道傾斜角 α 對(duì)流道效率的影響時(shí)，理想的情況是只改變傾斜角 α，而剩下的其他 9 個(gè)參數(shù)都保持不變，但由以上推導(dǎo)的4 個(gè)獨(dú)立方程可知，當(dāng)流道傾斜角 α 改變時(shí)，必須從剩下的 9 個(gè)參數(shù)中選取 4 個(gè)參數(shù)隨流道傾斜角 α 發(fā)生變化，其他 5 個(gè)參數(shù)保持不變。在這剩下的 9 個(gè)參數(shù)中 L1，L2，L3的改變對(duì)進(jìn)口流道效率的影響較小，當(dāng)流道傾斜角 α 改變時(shí)讓這 3 個(gè)參數(shù)隨之改變，那么還要在剩下的 6 個(gè)參數(shù)中選取第 4 個(gè)參數(shù)隨傾斜角 α 變化，這 6 個(gè)參數(shù)分別為 R1，R2，R3，R4，L0，h。

當(dāng)?shù)?個(gè)參數(shù)取 R1時(shí)，R2，R3，R4，L0，h 全都保持不變。將式（3）減去式（2）可以得到，

將式（1）和式（9）式代入式（8）可得：

從式（10）可以看出，如果第 4 個(gè)參數(shù)選 R1，D，R2，R3，R4，L0，h 都保持不變，則等式右邊的值也保持不變，當(dāng)?shù)仁阶髠?cè)流道傾斜角 α 取不同的值時(shí)，等式左邊的值也會(huì)發(fā)生變化，顯然等式將不能成立，因此第 4 個(gè)參數(shù)不能取 R1，第 4 個(gè)參數(shù)將只能取R2，R3，R4，L0，h 這 5 個(gè)中的 1 個(gè)。

2　進(jìn)口流道效率衡量準(zhǔn)則

定義進(jìn)口流道的效率為[3]，

式中：Ein為進(jìn)口總能量；Eout為上出口總能量。第 24 屆 ITTC 噴水推進(jìn)會(huì)議建議各截面能量公式為

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；u 為截面速度，m/s；p為截面壓強(qiáng)，pa；p0為大氣壓力，pa；g 為重力加速度，m/s2；x 為距離勢(shì)能參考面高度，m。

虛擬進(jìn)口流道截面的形狀和位置沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，第 24 屆 ITTC 噴水推進(jìn)專家委員會(huì)會(huì)議[4]建議虛擬進(jìn)口流面的形狀為橢圓，即用橢圓擬合虛擬面的形狀，在擬合時(shí)為了保證質(zhì)量守恒，虛擬橢圓面的流量必須與出口截面的流量相等。虛擬進(jìn)口截面如果離實(shí)際進(jìn)口太近會(huì)受到流動(dòng)變形的影響，而如果距離實(shí)際進(jìn)口太遠(yuǎn)，又會(huì)使效率計(jì)算不準(zhǔn)確，研究發(fā)現(xiàn)把虛擬進(jìn)口流面的位置取在距離進(jìn)口 1 D 的距離較好，本文也將虛擬流道截面位置取在距離實(shí)際進(jìn)口 1 D 的位置。

3　實(shí)例計(jì)算

為研究流道傾斜角 α 發(fā)生變化時(shí)進(jìn)口流道效率的變化規(guī)律，以中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院某型噴水推進(jìn)裝置進(jìn)口流道為基礎(chǔ)，保持特征直徑 D、流道高度 H、流道總長(zhǎng)度 L 不變，以流道傾斜角 α 為變量，該角依次取 22°，23°，24°，25°，26°，27°。根據(jù)1 節(jié)的分析結(jié)果，當(dāng)流道傾斜角 α 發(fā)生改變時(shí)，隨之改變的 4 個(gè)參數(shù)可以分別取為以下 5 組：

1）L1，L2，L3，R3；2）L1，L2，L3，R2；

3）L1，L2，L3，R4；4）L1，L2，L3，h；

5）L1，L2，L3，L0。

當(dāng)選第 1 組 4 個(gè)參數(shù)隨流道傾斜角 α 改變時(shí)，經(jīng)計(jì)算，在傾斜角為 24°，25°，26°，27°時(shí)相應(yīng)的 R3為復(fù)數(shù)，無(wú)物理意義。所以第 4 個(gè)參數(shù)依次取為 R2，R4，h，L0。表 1～表 4 為第 4 個(gè)參數(shù)分別選 R2，R4，h，L0時(shí)進(jìn)口流道的參數(shù)。

表1　第 4 個(gè)參數(shù)為 R2時(shí)進(jìn)口流道參數(shù)Tab. 1　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is R2

表2　第 4 個(gè)參數(shù)為 R4時(shí)進(jìn)口流道參數(shù)Tab. 2　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is R4

當(dāng)流道傾斜角變化時(shí)，4 個(gè)變量分別取第 2 ～ 5 組中的 4 個(gè)參數(shù)。除每組的 4 個(gè)參數(shù)和流道傾斜角 α 發(fā)生變化外，其他 8 個(gè)參數(shù)保持不變。然后在三維建模軟件 Pro/E 中建立進(jìn)口流道三維模型。

3.1網(wǎng)格劃分

在進(jìn)口流道建模時(shí)，計(jì)算流域范圍的長(zhǎng)、寬、深分別取 30 D，10 D，8 D，其中 D 為進(jìn)口流道特征直徑。

表3　第 4 個(gè)參數(shù)為 h 時(shí)進(jìn)口流道參數(shù)Tab. 3　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is h

表4　第 4 個(gè)參數(shù)為 L0時(shí)進(jìn)口流道參數(shù)Tab. 4　The dimensions of inlet duct when the fourth parameter is L0

在劃分網(wǎng)格時(shí)，要反映唇口的實(shí)際形狀很困難，如果采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和 O 型網(wǎng)格拓?fù)潆m然可以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，但是在某些區(qū)域網(wǎng)格扭曲比較嚴(yán)重，會(huì)影響計(jì)算精度，因此決定采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的缺點(diǎn)是不能很好的反應(yīng)邊界層的流動(dòng)，為解決這問(wèn)題，可以在有邊界層的區(qū)域劃分三棱柱網(wǎng)格[5]，即在劃分網(wǎng)格時(shí)采用四面體和三棱柱混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中[6]y+取 60。

3.2湍流模型

計(jì)算時(shí)采用 RNG κ–ε 湍流模型[7]。與 Standard κ–ε湍流模型相比，RNG κ–ε 湍流模型修正了湍流粘度，考慮了流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)，更適合計(jì)算彎曲程度較大的流動(dòng)[8]。進(jìn)口流道中的流體的流動(dòng)彎曲比較大，采用該種湍流模型較合適。

3.3邊界條件

在進(jìn)流處將邊界條件設(shè)為速度入口，且速度為船速；上出口設(shè)為流量出口；下出口設(shè)為壓力出口；船底和流道設(shè)為固壁；為進(jìn)一步增加流域范圍，流域的底面和 2 個(gè)側(cè)面邊界條件設(shè)為對(duì)稱邊界。

3.4效率變化

通過(guò)在 Fluent 中求解，將進(jìn)口流道的效率繪制成圖，如圖7 所示，其中圖例 “R2” 表示“第 4 個(gè)參數(shù)取R2”，圖例 R4，h，L0意義同上。

從圖7 的計(jì)算結(jié)果可以看出，第 4 個(gè)參數(shù)為 R2時(shí)，當(dāng)傾斜角從 23° ～ 26° 變化時(shí)，流道效率基本沒(méi)有差別，26° 以后效率加速下降；第 4 個(gè)參數(shù)為 R4時(shí)，在傾斜角為 23° ～ 26° 區(qū)間內(nèi)，效率下降較快，26° 以后趨于平穩(wěn)；第 4 個(gè)參數(shù)為 h 時(shí)，在傾斜角為 23° ～26° 區(qū)間，效率一直降低；第 4 個(gè)參數(shù)為 L0時(shí)，在傾斜角為 23° ～ 26° 區(qū)間效率下降較慢，26° 以后效率下降加快。但是無(wú)論第 4 個(gè)參數(shù)選哪一個(gè)，不同流道傾斜角下，流道效率相差不超過(guò) 2%，且流道效率都在23° 時(shí)達(dá)到最大。

圖5　進(jìn)口流道三維模型及流域Fig. 5　The 3D model and flow field of inlet duct

圖6　進(jìn)口流道網(wǎng)格Fig. 6　The mesh of inlet duct

圖7　不同流道傾斜角下流道效率Fig. 7　The efficiency of inlet duct at different titling angle

4　結(jié)　語(yǔ)

本文推導(dǎo)并建立噴水推進(jìn)進(jìn)口流道各特征參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，隨后以某型噴水推進(jìn)器進(jìn)口流道和工作參數(shù)為基礎(chǔ)，以流道傾斜角為變量，應(yīng)用參數(shù)之間的關(guān)系，建立多組模型，用CFD技術(shù)模擬進(jìn)口流道流場(chǎng)，并計(jì)算流道效率，得出如下結(jié)論：

1）第 4 個(gè)參數(shù)選為 R2時(shí)，流道效率隨流道傾斜角的下降最小。

2）當(dāng)流道傾斜角從 22° ～ 27° 之間改變時(shí)，第 4 個(gè)

參數(shù)選取不同，進(jìn)口流道效率變化規(guī)律也不同，但流道效率都在 23° 時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)流道傾斜角從 23° ～27° 變化時(shí)，流道效率整體上都會(huì)隨著傾斜角的增加而減小。

3）流道傾斜角從 22° ～ 27° 改變時(shí)，無(wú)論第 4 個(gè)參數(shù)選哪一個(gè)，各傾斜角對(duì)應(yīng)的流道效率最大差別不超過(guò) 2%，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果流道傾斜角不能取的太小，可以適當(dāng)增加傾斜角而不會(huì)對(duì)流道效率有太大影響，有利于控制裝置長(zhǎng)度與重量。

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Analysis about affect of inclination angle on the efficiency of the waterjet propulsion inlet duct

JI Guo-rui1,2, CAI You-lin2,3, LI Ning2,3, YIN Xiao-hui2,3, YU yu2, 3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. Key Laboratory of Waterjet Propulsion, Shanghai 200011, China)

Abstract:There are many feature parameters describing waterjet propulsion inlet duct and these parameters are related. When some dimensionischanged, the other ones are altered along with that. This paper concludes the relationship of these parameters through derivation. On the basis of that, in the condition that the inletduct feature diameter D, the height of duct H, the overall length of duct L are given, taking the duct inclination angle as variable, it designs and establishes models to research the relationship between inlet duct efficiency and inclinationangle through CFD technology. The result reveals that the inlet duct efficiency decreases with the rising of the inletduct inclination angle. However the decrease value is little. So to some extends, the inlet duct inclination angle has little affect on the inlet flow duct efficiency. This conclusion has great guiding significance in designing inlet duct.

Key words:Waterjet propulsion；Inlet duct；Inclination angle；Efficiency

作者簡(jiǎn)介：汲國(guó)瑞(1990–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閲娝七M(jìn)。

收稿日期：2015–08–24； 修回日期：2015–09–23

文章編號(hào)：1672–7619(2016)03–0055–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.012

中圖分類號(hào)：U664.34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A