基于CFD的噴水推進(jìn)器進(jìn)水管道流場(chǎng)分析

熊高涵　高慧

摘 要：噴水推進(jìn)器的效率主要有兩個(gè)指標(biāo)：水泵的推進(jìn)效率和系統(tǒng)的損失效率。若想獲得高效率的噴水推進(jìn)器，必須要綜合考慮兩者，在兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)行進(jìn)水管內(nèi)的數(shù)值模擬，研究IVR（船速與進(jìn)水速度比）對(duì)流場(chǎng)的影響。

關(guān)鍵詞：噴水推進(jìn)；進(jìn)水管；流場(chǎng)數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0077-03

Flow Field Analysis of Water Inlet Pipe of Water Jet Propeller Based on CFD

XIONG Gaohan GAO Hui

（Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215600）

Abstract： The efficiency of water jet propeller has two main indexes： the efficiency of the pump and the loss efficiency of the system. In order to obtain an efficient water jet propeller， it was necessary to consider both of the two and find a balance between the two. Based on the numerical simulation of water jet pipe inlet， IVR （speed and inlet velocity ratio） on flow field.

Keywords： waterjet；inlet tube；CFD simulation

1 數(shù)值模型

噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道中的流場(chǎng)為湍流，因而其質(zhì)量、組分等運(yùn)輸量都不是保持不變的。本文之所以選取雷諾平均的處理方式，主要是因?yàn)橄胍M的真正流場(chǎng)對(duì)電腦性能要求超出了實(shí)際情況，所以最終選取了此方法。瞬時(shí)場(chǎng)可以拆分為時(shí)均場(chǎng)和脈動(dòng)場(chǎng)之和，具體為：

[ui=ui+u′i ?=?+?] （1）

式中：[ui]為瞬時(shí)速度矢量分量，[ui]為時(shí)均速度矢量分量，[u′i]為脈動(dòng)速度矢量分量；[?]為瞬時(shí)壓力、流量等標(biāo)量，[?]為時(shí)均標(biāo)量，[?]為脈動(dòng)標(biāo)量。經(jīng)過(guò)雷諾平均以后，得到N-S方程為：

[?ρ?t+??xiρui=0] （2）

[??tρui+??xiρuiuj=-?ρ?xi+??xj×μ?ui?xj+?uj?xi+23δij?um?xm+??xj-ρu′iu′j] （3）

式中：[ρ]為密度，[?]為擴(kuò)散系數(shù)。

針對(duì)這樣的N-S方程需要，如果不對(duì)[-ρu′iu′j]進(jìn)行處理，則方程組很難封閉。

采用Boussinesq假定：

[-ρu′iu′j=μt?ui?xj+?uj?xi-23ρk+μt?ui?xjδij] （4）

這是在各項(xiàng)非異性的假設(shè)基礎(chǔ)上獲取的，[μt]的處理有許多辦法，本文選用k-ε計(jì)算模型，通過(guò)兩個(gè)方程：附加能量k附加方程、湍流耗散率ε附加方程來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題。分別如下：

[??tρk+??xiρkui=??xjμ+μtσk?k?xj+Gk+Gb-ρε] （5）

[??tρk+??xiρεui=??xjμ+μtσε??xj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε]（6）

式中，[ρ]為密度，[μt]為湍流黏性系數(shù)。

[ut=ρCμk2ε] （7）

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，[C1ε]、[C2ε]、[Cμ]、[σk]和[σz]按照通常情況為常系數(shù)：[C1z]=1.44，[C2z]=1.92，[Cμ]=0.09， [σk]=1.0，[σz]=1.3。

在k-ε方程中，[Ck]是因?yàn)樗俣忍荻榷l(fā)生的湍流動(dòng)能，能夠由式（8）得出：

[Gk=-ρu′iu′j?ui?xi] （8）

[Gb]表示由重力加速度引起的湍流動(dòng)能，能夠由式（9）得出：

[Gb=βgiμtPrt?T?xi] （9）

式（9）中，[gi]是[g]在i方向上的重力加速度的分值；[Prt]為動(dòng)能普朗特?cái)?shù)，[Prt]=0.85；[β]為熱傳遞系數(shù)[1-5]。

在k-ε方程中，[C3z]表示重力對(duì)[ε]的影響程度，能夠由式（10）得出：

[C3ε=tanhvu] （10）

式（10）中，v是與重力方向平行的分速度；u是和重力方向垂直的分速度[6-10]。

2 數(shù)值計(jì)算

由于影響噴水推進(jìn)器流道進(jìn)口動(dòng)量及動(dòng)能的因素很多，如壓力、邊界層等，且其流體力學(xué)性能還與船體型線及實(shí)際工況有較大關(guān)聯(lián)，因此，在做進(jìn)水道數(shù)值模擬時(shí)需要考慮到其周邊的流場(chǎng)，將其加入其中一起模擬。

以一個(gè)進(jìn)水口為圓形的噴水推進(jìn)器為研究對(duì)象，并假定進(jìn)水速度V1為20m/s，在不同IVR下（IVR=0.56、1.0、1.4、1.7）模擬計(jì)算進(jìn)水管內(nèi)的流場(chǎng)。模擬中所用噴水推進(jìn)器的幾何參數(shù)如表1所示，數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖1。

按照“線-面-體”原則對(duì)該體進(jìn)行劃分，進(jìn)水流道與船底均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)檢查，網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到預(yù)期效果，計(jì)算速度較快且易于收斂[11]。

由于進(jìn)水口形狀和安裝位置的原因，邊界層對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，所以在此忽略邊界層。設(shè)定水流速度為船航速，設(shè)定進(jìn)水口速度V1。根據(jù)所需泵的流量和管道的幾何尺寸即可知道進(jìn)入管道流體的速度，設(shè)為V2。流場(chǎng)控制體進(jìn)口為流場(chǎng)控制體的除頂部和底部的其他四個(gè)面，噴口設(shè)為壓力出口，流場(chǎng)控制體底部設(shè)為壓力出口。彎管和流場(chǎng)控制體頂部設(shè)為壁面。此外，需設(shè)定兩個(gè)流場(chǎng)體積域。

3 結(jié)果分析

本次航速為10～40m/s，將泵流量，即進(jìn)水流速定為常數(shù)20m/s，模擬不同IVR條件下進(jìn)水管內(nèi)流場(chǎng)[12]。

通過(guò)對(duì)比不同IVR的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，存在著使分離流動(dòng)范圍最小的IVR范圍。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：在IVR為0.56時(shí)，葉輪前和彎管處的速度分布不均勻，但隨著IVR的增大，速度分布逐漸趨于一穩(wěn)定速度。通過(guò)對(duì)速度分布的比較可以看出，流場(chǎng)的均勻性還會(huì)隨著葉輪到彎管間的水平段距離的增大，流場(chǎng)分布逐漸趨于均勻。

圖2是不同IVR工況下進(jìn)水管中剖面的壓力云圖。流道空化性能包括兩個(gè)方面的要求，一是要求流道本身內(nèi)部不出現(xiàn)空化或空化不明顯，二是要求流道出口流動(dòng)的壓力不能過(guò)低，以免影響噴泵性能。從圖5可以看出，隨著IVR增大，流道壁面壓力下降，尤其是流道出口、斜坡和唇部存在壓力陡降。將IVR取區(qū)間內(nèi)不同值進(jìn)行計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IVR=1.0時(shí)，唇部幾乎沒(méi)有壓力降，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生空泡，抗空泡性能最好。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用CFD的方式模擬某噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道流場(chǎng)，剖析了速比對(duì)流場(chǎng)的影響以及不同IVR情況下產(chǎn)生空泡的可能性，給出了不同IVR下的流場(chǎng)分布圖，對(duì)進(jìn)水管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，其研究結(jié)果如下。

①受船體邊界層吸入以及流道彎曲的影響，流道出流速度是不均勻的。

②流動(dòng)分離會(huì)發(fā)生在唇部區(qū)域，并且會(huì)降低流道效率，需要避免。同時(shí)存在著使流動(dòng)分離范圍最小的IVR。

③速度分布會(huì)隨著IVR的增大而逐漸趨于均勻。并且葉輪前流場(chǎng)分布不僅和IVR有關(guān)，還會(huì)隨著葉輪到彎管間的水平段距離的增大，而逐漸趨于均勻。

④隨著IVR增大，流道壁面壓力下降，尤其是流道出口、斜坡和唇部存在壓力陡降。當(dāng)IVR=1.0時(shí)，唇部幾乎沒(méi)有壓力降，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生空泡，抗空泡性能最好。

因此，應(yīng)該衡量各方面指標(biāo)比重，確定最佳IVR，使得各方面性能都最好。

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