高速巡邏艇噴水推進(jìn)泵三元優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

王小二 張振山 靳栓寶

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

高速巡邏艇噴水推進(jìn)泵三元優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

王小二 張振山 靳栓寶

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

針對(duì)某新設(shè)計(jì)高速巡邏艇選型國(guó)外某噴泵達(dá)不到設(shè)計(jì)航速的問(wèn)題，運(yùn)用CFD方法對(duì)該被選噴泵和進(jìn)水流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該噴泵在設(shè)計(jì)工況下敞水效率較低，導(dǎo)葉處有一定程度的漩渦和流動(dòng)分離，進(jìn)水流道背部也存在渦旋.運(yùn)用泵的三元設(shè)計(jì)理論，為該巡邏艇的噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了重新選型和三元設(shè)計(jì)，在軸面線的繪制過(guò)程中使用了貝賽爾曲線，保證了整個(gè)軸面線的光滑過(guò)渡.同時(shí)為了提高抗空化性，增加了葉輪葉片數(shù).數(shù)值模擬結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)的噴泵效率有了明顯提高，設(shè)計(jì)工況效率可達(dá)91.2%，同時(shí)泵的低壓區(qū)較小，保證了泵的抗空化性能，也消除了導(dǎo)葉中的二次流.“噴泵+流道+平板船”數(shù)值自航結(jié)果表明，該巡邏艇在設(shè)計(jì)工況下達(dá)到了設(shè)計(jì)航速.

巡邏艇； 噴水推進(jìn)器； CFD； 三元理論； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來(lái)，噴水推進(jìn)器以其優(yōu)越的性能在越來(lái)越多的船舶上得到了應(yīng)用，對(duì)于救生艇、巡邏艇、摩托艇等高速船舶，噴水推進(jìn)更是擁有螺旋槳不能比擬的優(yōu)勢(shì).正是這樣的需求,對(duì)噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)的二元技術(shù)已經(jīng)很難滿足高效率噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì).20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)得到了很大發(fā)展，這使得噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)也得到了很大提高，設(shè)計(jì)者得以借助計(jì)算機(jī)對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)行快速的三元設(shè)計(jì).世界知名的噴水推進(jìn)廠商Kamewa公司、Hamilton公司、MJP公司最近幾年也借助三元設(shè)計(jì)方法，相繼推出了多款大型噴水推進(jìn)器[1-2].Akira等[3-4]運(yùn)用CFD對(duì)混流泵的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算中的二次流問(wèn)題，通過(guò)對(duì)三元設(shè)計(jì)中葉片負(fù)載分布的研究，成功的減小了葉輪和導(dǎo)葉中的二次流.運(yùn)用CFD和三元設(shè)計(jì)方法對(duì)一款離心泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二次流基本消失.Duccio等[5]又對(duì)混流泵設(shè)計(jì)中的導(dǎo)邊包角、堆疊條件等幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了研究，運(yùn)用三元設(shè)計(jì)理論成功設(shè)計(jì)出了高效的噴水推進(jìn)用混流泵.三元設(shè)計(jì)對(duì)流動(dòng)的假設(shè)減少了，但因?yàn)榭紤]了流動(dòng)的三維性而更具優(yōu)越性.因此在國(guó)內(nèi)也得到了越來(lái)越多的重視和應(yīng)用.常書平等[6]對(duì)三元設(shè)計(jì)中三種葉輪出口環(huán)量形式進(jìn)行了研究，得出了遞增型環(huán)量分布泵的效率較高但容易空化的結(jié)論.靳栓寶等[7]則通過(guò)對(duì)緊湊型水泵的軸面形狀分析，成功運(yùn)用三元理論對(duì)某高比轉(zhuǎn)數(shù)混流泵進(jìn)行了軸流式設(shè)計(jì)，噴泵敞水效率達(dá)到了92.7%.

針對(duì)某巡邏艇選型國(guó)外某噴泵達(dá)不到設(shè)計(jì)航速這一問(wèn)題，首先對(duì)該艇所選噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了建模，運(yùn)用CFD方法對(duì)其進(jìn)行了水力性能計(jì)算，找到了該艇未達(dá)到設(shè)計(jì)航速的原因；然后運(yùn)用三元設(shè)計(jì)理論在考慮粘性情況下重新設(shè)計(jì)了一款噴泵.計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論效率還是流動(dòng)狀態(tài)都有較大提高，設(shè)計(jì)工況下，航速也達(dá)到了預(yù)定航速.

1 控制方程和方法驗(yàn)證

1.1 控制方程

運(yùn)用基于有限體積法和中心節(jié)點(diǎn)控制的計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解雷諾-時(shí)均方程，湍流模型選用SST模式，該模式既保證了近壁面處湍流耗散小，收斂性好的特點(diǎn)，同時(shí)，在湍流充分發(fā)展的區(qū)域，對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的流動(dòng)狀況捕捉的也比較好.

不可壓粘性流體的控制方程如下.

(1)

(2)

式(1)和式(2)分別為質(zhì)量方程和動(dòng)量方程，fi為質(zhì)量力；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；μi為湍流動(dòng)力粘性系數(shù).

1.2 方法驗(yàn)證

在對(duì)該艇所選用的國(guó)外某噴水推進(jìn)器水力性能計(jì)算之前，先選擇國(guó)外某廠家提供比對(duì)數(shù)據(jù)的另一型噴水推進(jìn)器進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證所用數(shù)值模型和計(jì)算方法的可信性.

該泵葉輪進(jìn)口直徑為710 mm,有6個(gè)葉片和11個(gè)導(dǎo)葉，其幾何模型見(jiàn)圖1.

圖1 幾何模型圖

泵的噴口和流道采用ICEM進(jìn)行六面體網(wǎng)格化分，近壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證邊界層流動(dòng)模擬y+在200以內(nèi).葉輪和導(dǎo)葉的六面體網(wǎng)格采用turbo-grid進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉片周圍采用O型網(wǎng)格，葉輪頂端間隙處設(shè)置10層網(wǎng)格，保證間隙處流動(dòng)的詳細(xì)捕捉，見(jiàn)圖2.各部件最終網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 葉輪導(dǎo)葉網(wǎng)格圖

萬(wàn)個(gè)

邊界條件設(shè)為總壓進(jìn)口、靜壓出口，不考慮流體重力影響，葉輪和流道、導(dǎo)葉交界面采用穩(wěn)態(tài)多參考系方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為物理時(shí)間1/ω，其中ω為葉輪每秒轉(zhuǎn)過(guò)的角度.

計(jì)算6個(gè)不同轉(zhuǎn)速下泵的水力性能，以泵的軸功率為對(duì)象，求取數(shù)值模擬結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比值，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知，計(jì)算值和試驗(yàn)值相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，滿足工程需要，同時(shí)也證明了該文中所用數(shù)值計(jì)算方法的可信性.

表2 某混流泵軸功率計(jì)算結(jié)果

2 巡邏艇所選國(guó)外噴泵性能的CFD計(jì)算

研究的對(duì)象為某巡邏艇所選國(guó)外某噴水推進(jìn)泵，該泵為一個(gè)單級(jí)軸流泵.在設(shè)計(jì)工況下，該巡邏艇未達(dá)到設(shè)計(jì)航速，現(xiàn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)該泵的敞水性能進(jìn)行計(jì)算分析以查找原因.

2.1 幾何建模

根據(jù)國(guó)外某廠家提供的數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維幾何建模軟件UG對(duì)原噴泵進(jìn)行幾何建模，該泵直徑為560 mm，其中，葉輪的葉片數(shù)為5片，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7片.幾何模型見(jiàn)圖3.

圖3 艇用軸流泵幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

采用與驗(yàn)證計(jì)算中相同的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)該軸流泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，噴水推進(jìn)器各部件近壁面處考慮流體邊界層，對(duì)近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證y+在200以內(nèi).為了對(duì)該軸流泵全通道進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，使用SST湍流模型對(duì)該泵在不同網(wǎng)格數(shù)目下的葉輪功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可知，軸流泵的整體網(wǎng)格在 110萬(wàn)～200萬(wàn)時(shí)，軸流泵的葉輪功率基本沒(méi)有變化，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)采用216萬(wàn)，從而確保了計(jì)算精度.

圖4 艇用軸流泵網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析圖

2.3 邊界條件設(shè)置

該泵邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖5，其中葉輪中葉片和輪轂設(shè)為相對(duì)靜止壁面條件，葉輪外殼設(shè)為絕對(duì)靜止壁面條件，葉輪轉(zhuǎn)速為 1 329 r/min，計(jì)算裸泵水力性能時(shí)采用額定轉(zhuǎn)速工況下流量作為進(jìn)流條件，即2 460 kg/s，泵的出口設(shè)為靜壓出口.其他邊界條件同驗(yàn)證試驗(yàn)中的相同.

圖5 邊界條件設(shè)置圖

2.4 裸泵計(jì)算結(jié)果分析

分別在5個(gè)不同流量情況下，計(jì)算泵的功率、揚(yáng)程和效率.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6.由圖6可知，在設(shè)計(jì)工況下，泵的效率為88.8%，同時(shí)當(dāng)流量在80%設(shè)計(jì)流量時(shí)，泵的效率下降較大，只有82.8%，這說(shuō)明泵的高效區(qū)比較窄，在實(shí)際航行過(guò)程中經(jīng)濟(jì)性會(huì)比較差.同時(shí)在導(dǎo)葉處也發(fā)現(xiàn)存在一定程度的漩渦，導(dǎo)葉輪轂處有比較嚴(yán)重的二次流產(chǎn)生，見(jiàn)圖7～8.

圖6 所選泵的水力性能圖

圖7 導(dǎo)葉中的漩渦圖

圖8 導(dǎo)葉中的二次流圖

2.5 “泵+流道+平板船”推進(jìn)性能分析

在對(duì)裸泵進(jìn)行水力性能計(jì)算后，需要進(jìn)一步對(duì)“泵+流道+平板船”組成的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以預(yù)報(bào)該泵裝船后船的航速.其中，平板船的長(zhǎng)寬高根據(jù)文獻(xiàn)[8]，分別取為葉輪進(jìn)口直徑的30倍，10倍，8倍.對(duì)于來(lái)流給定不同的航速作為邊界條件，葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)為額定轉(zhuǎn)速1 329 r/min，計(jì)算噴水推進(jìn)器裝船后的效率和推力性能.經(jīng)過(guò)后處理發(fā)現(xiàn)，該泵在45 kn航速下，推力遠(yuǎn)小于廠家提供的阻力.改變航速后，重新計(jì)算.最終的航速預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖10.由圖10可見(jiàn)，推力曲線和阻力曲線相交在39.7 kn左右，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)航速.通過(guò)線性插值，可得此時(shí)泵的效率在87%.對(duì)流道的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)流道背部存在大量渦旋，這對(duì)推進(jìn)器的進(jìn)流產(chǎn)生了很大影響，同時(shí)渦旋也損耗了來(lái)流的部分能量.

圖9 流道背部流線圖

圖10 原泵航速預(yù)報(bào)圖

3 三元優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析

3.1 三元設(shè)計(jì)理論

三元設(shè)計(jì)理論的基本思想就是將三維的流場(chǎng)分解為周向的平均流場(chǎng)和周期性脈動(dòng)流場(chǎng)來(lái)求解.在求解2個(gè)流場(chǎng)過(guò)程中為了簡(jiǎn)化葉輪中水流的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)水進(jìn)行無(wú)粘、不可壓縮、定常假設(shè).用葉片中心的渦面代替葉片對(duì)水的作用，渦的強(qiáng)度由周向環(huán)量2πrVθ控制.在完成2個(gè)流場(chǎng)求解之后，再通過(guò)有限差分法和貼體坐標(biāo)系求解整個(gè)流場(chǎng)的速度分布[10-14]；葉切面通過(guò)葉片表面流線的一階雙曲型偏微分方程求得，根據(jù)輸入的堆疊條件生成葉片，對(duì)比新舊葉片包角，當(dāng)前后葉片包角的差別小于10-5rad時(shí)，認(rèn)為該葉片已完成設(shè)計(jì).否則，對(duì)流場(chǎng)和葉片進(jìn)行重新計(jì)算，直到滿足條件為止.

需要在設(shè)計(jì)之前需要的參數(shù)有：葉輪或?qū)~軸面線；葉輪的轉(zhuǎn)速n；流量Q；葉片數(shù)B；葉片負(fù)載在軸向上的分布規(guī)律?rVθ/?m；葉片厚度.其中葉片厚度由葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定.負(fù)載分布規(guī)律用來(lái)控制流場(chǎng)需要特別給出，其他參數(shù)由選型決定.

3.2 新泵軸面線設(shè)計(jì)

根據(jù)該船所要求的航速，原所選噴泵已無(wú)法滿足要求，因此對(duì)該艇所需噴水推進(jìn)器進(jìn)行重新選型和設(shè)計(jì)，具體選型結(jié)果見(jiàn)表3.重新選型后，進(jìn)口流量增大到原來(lái)流量的1.2倍，葉輪進(jìn)口直徑縮小為原來(lái)直徑的89%，考慮高航速下泵的抗空化性能，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，葉輪選取6個(gè)葉片，導(dǎo)葉取為11葉.

表3 新泵選型結(jié)果

運(yùn)用三維幾何建模軟件對(duì)選型后泵的軸面線進(jìn)行設(shè)計(jì)，原泵中葉輪輪轂直徑為165 mm，轂徑比為0.59，過(guò)流通道橫截面115 mm,有些偏小.新的軸面線同時(shí)減小了葉輪直徑和輪轂比，葉輪直徑選為500 mm, 轂徑比選為0.5，過(guò)流通道橫截面增大為125 mm.葉輪直徑減小后，葉稍的速度減小，水泵的抗空化性能會(huì)進(jìn)一步提高.同時(shí)，葉輪和導(dǎo)葉的輪轂段使用貝賽爾曲線畫出，保證在實(shí)際使用過(guò)程中葉輪和導(dǎo)葉中的水能平滑流動(dòng)，葉輪導(dǎo)葉連接處同水平線相切.圖11顯示了新設(shè)計(jì)泵的軸面形狀.

圖11 新泵軸面形狀

3.3 葉片負(fù)載分布

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在三元設(shè)計(jì)中，葉片的負(fù)載分布對(duì)泵的效率和空化有重要影響，也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.采用文獻(xiàn)[5]中推薦的負(fù)載分布規(guī)律，對(duì)葉片負(fù)載采用前重載分布，即在20%的弦長(zhǎng)處負(fù)載達(dá)到最大，之后保證平穩(wěn)，在40%弦長(zhǎng)處開(kāi)始下降，這樣在保證泵效率的同時(shí)，不容易出現(xiàn)流動(dòng)分離.同時(shí)合理分配葉輪輪轂和外殼截面處的負(fù)載，整個(gè)軸面負(fù)載通過(guò)線性插值得到，具體分布規(guī)律見(jiàn)圖12.運(yùn)用三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法求取葉片中心面，進(jìn)而采用流體動(dòng)力性能較好的NACA型厚度分布規(guī)律為葉片加厚，導(dǎo)邊和隨邊處進(jìn)行修圓處理，提高葉片的抗空化性能.經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)裸泵的效率較高，空化情況也滿足條件，需要進(jìn)一步分析新泵的全工況水力性能.圖13顯示的是新設(shè)計(jì)的葉輪和導(dǎo)葉幾何模型.

圖12 負(fù)載分布圖

圖13 新設(shè)計(jì)泵的幾何模型

3.4 新泵的水力性能分析

采用同第1節(jié)驗(yàn)證中相同的網(wǎng)格劃分和水力性能計(jì)算方法對(duì)新設(shè)計(jì)的泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，葉輪和導(dǎo)葉全通道網(wǎng)格數(shù)為166萬(wàn).新設(shè)計(jì)泵的性能曲線見(jiàn)圖14，由圖14可知，新設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)泵在很大的流量范圍內(nèi)具有85%以上的高效率，在設(shè)計(jì)流量3 010 kg/s時(shí)效率達(dá)到91.25%.新設(shè)計(jì)泵導(dǎo)葉中的流動(dòng)情況見(jiàn)圖15.由圖15可知，代表水流的速度矢量圖光滑平順，這表明導(dǎo)葉處的漩渦和二次流得到了很好的解決.葉輪表面壓力情況見(jiàn)圖16，其中深色區(qū)域代表低壓區(qū)，可以看到只有葉輪導(dǎo)邊處有一非常小的深色窄帶，這是由于非均勻進(jìn)流條件引起的，對(duì)泵的水力性能和使用壽命影響不大.

圖14 新泵水力性能曲線圖

圖15 導(dǎo)葉中流體矢量圖

圖16 葉輪表面壓力云圖

3.5 “新泵+新流道+平板船”計(jì)算分析

新的推進(jìn)泵設(shè)計(jì)出來(lái)之后，對(duì)“新泵+新流道+平板船”系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，新的流道由作者所在團(tuán)隊(duì)其他成員設(shè)計(jì)提供，其幾何見(jiàn)圖17.航速45 kn時(shí)，其流道效率達(dá)到95.7%.加上流道和平板船之后，設(shè)定泵的轉(zhuǎn)速為1 315 r/min，來(lái)流速度設(shè)為45 kn，計(jì)算噴水推進(jìn)器的推力，計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)推力大于阻力，調(diào)整來(lái)流速度，重新計(jì)算.將推力曲線與阻力曲線相交，結(jié)果見(jiàn)圖18，可以看到航速預(yù)報(bào)在46 kn左右，滿足選型設(shè)計(jì)要求，此時(shí)船后泵效率在89%.

圖17 新設(shè)計(jì)流道圖

圖18 新泵航速預(yù)報(bào)圖

因此，從總體上來(lái)說(shuō)，新設(shè)計(jì)的泵各項(xiàng)性能合格，同原來(lái)選型泵相比，新設(shè)計(jì)的泵幾何尺寸較小，所以質(zhì)量更輕；流動(dòng)分離得到了較好的解決，設(shè)計(jì)工況下未見(jiàn)空化.

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)原來(lái)噴泵的轂徑比偏大，導(dǎo)葉中有漩渦的問(wèn)題，采用三元設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)了一款噴泵，新泵的效率達(dá)到了91.25%，體現(xiàn)了三元設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng)一元、二元方法的優(yōu)越性.

2) 三元設(shè)計(jì)過(guò)程中，負(fù)載分布對(duì)泵的效率和抗空化性能有較大影響，選擇合適的負(fù)載分布，是三元設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵.

3) 設(shè)計(jì)過(guò)程中，泵的軸面線采用四階貝賽爾曲線繪出，能夠保證葉輪和導(dǎo)葉連接的平滑過(guò)渡，比用多段圓弧連接要更光順，同時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)控制點(diǎn)以改變軸面線形狀.

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Optimization Design of Water Jet Propulsion Equipped on High Speed Patrol Boat

WANG Xiao’er ZHANG Zhenshan JIN Shuanbao

(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

In order to investigate the reason why a patrol boat could not reach its design speed when abroad waterjet propulsion is chosen, CFD method is used to calculate hydrodynamic and cavitation performance of the axial water jet pump. Through analysis of the flow in the pump, it’s found that the pump’s efficiency is low at the design condition and there are some vortexes and flow separations at the guide vanes and duct. A new pump type is selected and designed through three-dimensional inverse design theory. During the draw of the pump meridional channel, the Bezier curve is used to guarantee the meridional channel smooth. At the same time, the number of rotor blades was increased to suppress the area of low pressure. It’s shown that the efficiency of the new pump has been improved to 91.2% after optimization. The new pump has a good resistance to cavitations and the secondary flow behavior in the diffuser is completely eliminated. Based on numerical self propulsion of “hull+duct+pump”, the patrol boat reaches its design speed successfully.

patrol boat; water jet propulsion; CFD; 3-D inverse design theory; optimization

2016-11-15

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51309229)

U664.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.013

王小二(1988—)：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗峦七M(jìn)技術(shù)