船用噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)特性分析

劉月偉，潘中永

(江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

噴水推進(jìn)器裝置通常由進(jìn)水流道、推進(jìn)泵、噴口和操縱機(jī)構(gòu)組成，具有推進(jìn)效率高，抗空泡性能優(yōu)良、操縱性能好、附體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，其基本原理是利用推進(jìn)泵噴射水流的反作用力驅(qū)動(dòng)海上航行體前行，目前已廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，特別是高速船舶和軍事艦艇上[1-3].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和研究?jī)?nèi)容的深入，國(guó)內(nèi)外研究者的成果多集中于推進(jìn)泵的理論設(shè)計(jì).壓力脈動(dòng)特性以及空化性能研究，而對(duì)變航速工況下推進(jìn)器裝置內(nèi)部流動(dòng)特性鮮有研究.噴水推進(jìn)器相較于推進(jìn)泵增加了進(jìn)水流道過流部件，不能以推進(jìn)泵理想進(jìn)流為前提，忽略非均勻進(jìn)流特性[4].因此，對(duì)不同航速下噴水推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)作具體分析，為以后優(yōu)化噴水推進(jìn)器部件，進(jìn)一步研究噴水推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)具有一定的參考價(jià)值.

常書平等[5]通過數(shù)值模擬研究了不同進(jìn)速比IVR下進(jìn)水流道水力性能，發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)泵在IVR=0.6～0.8工況下運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水流道水力性能較好.李恩達(dá)[6]通過對(duì)進(jìn)流條件的改變，揭示了混流式噴水推進(jìn)泵流動(dòng)失穩(wěn)產(chǎn)生機(jī)理.CAO等[7]對(duì)無軸式噴水推進(jìn)泵的推力性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)無軸式設(shè)計(jì)加強(qiáng)了推力性能，降低了進(jìn)水流道出流面非均勻度.潘中永等[8]以一臺(tái)斜流式噴水推進(jìn)器為研究對(duì)象，模擬其內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定特性，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)多出現(xiàn)在小流量工況下.HU等[9]通過試驗(yàn)與仿真研究，發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)給泵內(nèi)流動(dòng)帶來不利影響，采用無軸式設(shè)計(jì)可以改善進(jìn)水流道出流畸變程度.

文中以軸流式噴水推進(jìn)器為研究對(duì)象，基于ANSYS-CFX軟件進(jìn)行全流場(chǎng)定常數(shù)值模擬，對(duì)額定轉(zhuǎn)速5 500 r/min，不同航速1，15，30，45 knot工況下的噴水推進(jìn)裝置內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析.

1 研究模型

1.1 計(jì)算模型

推進(jìn)器裝置采用泵型為軸流泵，葉輪直徑155 mm,輪緣間隙0.5 mm，輪轂比為0.54，其設(shè)計(jì)流量Q=550 m3/h,揚(yáng)程H=32 m,轉(zhuǎn)速n=5 500 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=584,葉片數(shù)Z=5，導(dǎo)葉數(shù)Z=7.通過Pro/E軟件對(duì)葉輪、導(dǎo)葉、噴嘴、進(jìn)水流道以及船體水體分別進(jìn)行建模，噴水推進(jìn)器模型如圖1所示.

圖1 噴水推進(jìn)器模型

1.2 網(wǎng)格劃分

軸流泵葉輪區(qū)內(nèi)葉片扭曲比較嚴(yán)重，輪緣間隙較小，難以劃分，采用全自動(dòng)拓?fù)渚W(wǎng)格劃分軟件ANSYS TurboGrid對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分處理.對(duì)葉片周圍和輪緣間隙區(qū)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，近壁面第一層網(wǎng)格距離為6.0×10-5m，y+最大值為171，符合湍流模型求解要求.進(jìn)水流道，導(dǎo)葉區(qū)和噴嘴區(qū)基于ICEM CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分.噴水推進(jìn)器各部件網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 噴水推進(jìn)器網(wǎng)格

1.3 控制方程與邊界條件

以雷諾時(shí)均N-S方程作為基本控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型作為求解的湍流模型.標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是由一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能k的方程和一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程組成.

圖3為計(jì)算域及邊界示意圖，進(jìn)水流道下方的控制體代表船體周圍水域. 考慮到數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)間和精度，控制體的長(zhǎng)、寬、高分別為葉輪進(jìn)口直徑的30倍、10倍、8倍[10].噴水推進(jìn)器位于控制體上表面對(duì)稱線上，噴嘴出口面距船底水域出口邊0.7 m.上游來流面設(shè)置為速度進(jìn)口(Normal Speed)，Bulten理論指出高航速時(shí)，吸入流體受阻于斜坡中的逆壓梯度而發(fā)生流動(dòng)分離，采用Weighardt公式[11]將船底邊界層影響考慮在內(nèi)有助于抑制二次流和流動(dòng)分離.

圖3 計(jì)算域及邊界示意圖

邊界層厚度計(jì)算公式為

δ=0.27xRe-1/6,

(1)

進(jìn)口速度計(jì)算公式為

(2)

上述式中：x為距船艏距離,m；雷諾數(shù)Re=Ux/ν,U為基準(zhǔn)速度，m/s，ν為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；vs為航速，m/s；y為吃水深度，m；N一般取9.船體水體出口和噴嘴均為自由出流.采用多重坐標(biāo)系MRF算法，旋轉(zhuǎn)域與靜止域交界面選擇Frozen Rotor模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.葉輪為旋轉(zhuǎn)域，葉輪外殼設(shè)置為絕對(duì)靜止壁面條件，葉片表面和輪轂設(shè)置為相對(duì)靜止壁面條件.進(jìn)水流道、導(dǎo)葉、噴嘴和船底水體為靜止域，其壁面條件均設(shè)置為無滑移壁面，進(jìn)水流道中的驅(qū)動(dòng)軸設(shè)置為相對(duì)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5 500 r/min.對(duì)流項(xiàng)采用高階求解格式，離散項(xiàng)采用中心差分格式，殘差收斂精度設(shè)置為10-5.

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

不同網(wǎng)格數(shù)目下的計(jì)算推力和出口流量如表1所示,Nm為網(wǎng)格數(shù)量.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性分析

選擇推進(jìn)器推力T和出口流量Q作為網(wǎng)格無關(guān)性參考，在一定航速下，調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量，若推力和出口流量變化相對(duì)較小，則認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān).選擇在轉(zhuǎn)速n=5 500 r/min,航速為1 knot的條件下對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)下推進(jìn)器的推力和出口流量進(jìn)行對(duì)比分析.當(dāng)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量在3 302 048時(shí)，再增加網(wǎng)格數(shù)量，推力和出口流量值變化很小，誤差在±5%以內(nèi)，符合網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證要求.

2 推力試驗(yàn)

由于實(shí)船試驗(yàn)部件復(fù)雜、成本高，所以采用靜水試驗(yàn)臺(tái)通過變轉(zhuǎn)速來測(cè)量噴水推進(jìn)器推力性能.通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中.試驗(yàn)為原型試驗(yàn)，試驗(yàn)水力部件尺寸與數(shù)模中保持一樣，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與數(shù)模轉(zhuǎn)速保持一致.試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)臺(tái)搭建

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖5為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的金諾JLET型拉力傳感器(見圖5a)，量程為0～5 t，綜合精度0.05% F·S，材質(zhì)為合金鋼，傳感器兩邊的電阻應(yīng)片阻值在噴水推進(jìn)器噴射水流時(shí)會(huì)發(fā)生變化，這一變化經(jīng)過轉(zhuǎn)化變成電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集箱中.

數(shù)據(jù)采集箱如圖5b所示，數(shù)據(jù)采集箱信號(hào)類型為電壓，靈敏度為100 mV/g,量程為±10 V, 采集箱可以準(zhǔn)確地對(duì)接收到的拉力傳感器的電信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量傳到多通道數(shù)據(jù)采集面板中，多通道數(shù)據(jù)采集軟件會(huì)將收集的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并形成力值曲線圖.

2.2 推力計(jì)算公式

采用動(dòng)量流量法求解噴水推進(jìn)器推力，推力計(jì)算公式為

T=ρQ(vj-αvin),

(3)

式中：ρ為流體密度,kg/m3;Q為噴水推進(jìn)器噴嘴出口流量，m3/s;vj為推進(jìn)器噴口速度，m/s;vin為進(jìn)口速度，m/s;α為伴流系數(shù).

圖6為通過變轉(zhuǎn)速測(cè)量噴水推進(jìn)器推力的試驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖.在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速5 500 r/min時(shí)，試驗(yàn)和模擬推力誤差比值為4.6%，滿足誤差要求.由于是靜水試驗(yàn)臺(tái)，vin=0，隨著轉(zhuǎn)速增加，流量增大，推力增加，初步分析由于模擬沒有考慮軸承摩擦等機(jī)械損失，也沒有考慮船體姿態(tài)變化對(duì)進(jìn)流的影響，導(dǎo)致模擬值高于試驗(yàn)值，但試驗(yàn)和模擬值隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)吻合度較高，證明可以采用 CFD方法模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)狀況.為了研究航速對(duì)噴水推進(jìn)器性能的影響，所以采用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行不同航速下噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)特性分析.

圖6 噴水推進(jìn)器推力性能曲線

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 各截面平均速度及葉輪葉片壓力載荷分析

噴水推進(jìn)器各截面示意圖如圖7所示，其中截面1位于驅(qū)動(dòng)軸下方，截面2經(jīng)過驅(qū)動(dòng)軸位置，截面3為進(jìn)水流道出口處截面，截面4為葉輪出口處截面，截面5為噴嘴出口截面.

圖7 截面示意圖

表2為不同航速下各截面平均速度，表中v3，v4，v5分別為截面3，4，5的平均速度.從表中可得，隨著航速增加，各截面平均速度均增大，其中葉輪出口截面速度較進(jìn)水流道出口截面平均速度增幅較大，葉輪作為噴水推進(jìn)器的重要做功部件，使水獲得壓能和動(dòng)能，但同時(shí)水亦對(duì)葉輪葉片產(chǎn)生相互作用，主要體現(xiàn)在葉片載荷上，葉片載荷為同一流線葉片壓力面與吸力面壓力之差，因此有必要對(duì)不同航速下葉輪葉片載荷分布進(jìn)行定量研究，對(duì)不同切面處壓力分布進(jìn)行對(duì)比.span為葉片輪轂到輪緣的量綱一化距離，為0～1.圖8—10為葉輪不同切面在各個(gè)航速下的載荷分布情況.橫坐標(biāo)為流道截線streamwise, 為距葉片進(jìn)口邊與出口邊的量綱一化距離，0～1.圖中0streamwise代表葉片進(jìn)口邊截線，1.0streamwise代表葉片出口邊截線.

表2 不同航速下各截面平均速度

圖8為0.1span切面上的壓力分布圖.從圖中可以看出，除了在0streamwise附近之外，隨著streamwise的增加，葉片壓力面和吸力面壓力差值逐漸減小.在0.1span切面上，各個(gè)航速下的壓力面和吸力面壓力變化規(guī)律基本相似.高航速(45 knot)下葉片壓力面與吸力面壓差遠(yuǎn)大于低航速(1 knot)葉片壓差，說明高航速下葉片壓力面與吸力面壓力梯度大.不同航速下，葉片壓力面壓力在0streamwise處(葉片進(jìn)口邊)均達(dá)到峰值，隨后又急劇下降，這表明壓力面進(jìn)口邊位置受到來流沖擊作用.隨著streamwise增加，壓力面壓力也逐漸增大，在1.0streamwise附近位置(葉片出口邊)，壓力面壓力又開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能原因是由于葉片尾部發(fā)生脫流，葉輪出口距導(dǎo)葉進(jìn)口軸向間距較短，脫流液體與葉輪流向?qū)~的流體相互作用.對(duì)葉片吸力面，隨著航速增加，吸力面壓力逐漸增大，在0streamwise處(葉片進(jìn)口邊)壓力出現(xiàn)負(fù)值.不同航速下，葉片進(jìn)口邊壓力均出現(xiàn)負(fù)值，相較葉片其他位置，進(jìn)口邊位置壓力面和吸力面的壓差最大.

圖8 不同航速下葉輪葉片切面壓力分布(0.1span)Fig.8 Pressure distribution of impeller blade section under different speed (0.1span)

圖9為0.5span切面處葉片壓力分布圖.可以看出，隨著航速增加，切面上葉片壓力面與吸力面的壓差逐漸增加，但增加的幅值小于0.1span切面.從圖中可以看出，葉片吸力面與壓力面壓力變化曲線更為平緩，說明在0.5span切面上壓力變化幅值比0.1span切面小.這是因?yàn)?.1span切面靠近輪轂，所以在0.5span切面上的流體流動(dòng)狀態(tài)受輪轂直徑變化的影響比在0.1span切面上的要小.

圖9 不同航速下葉輪葉片切面壓力分布(0.5span)Fig.9 Pressure distribution of impeller blade section under different speed (0.5span)

圖10為0.9span切面上的壓力分布圖.由圖可知，0.9span切面上葉片壓力變化規(guī)律與0.5span基本一致.在streamwise值為0附近,葉片吸力面與壓力面壓力均出現(xiàn)峰值，且峰值大于0.1span和0.5span.這是由于0.9span切面位置靠近輪緣位置，輪緣間隙處存在泄漏流動(dòng)，壓力變化更加明顯.

圖10 不同航速下葉輪葉片切面壓力分布(0.9span)Fig.10 Pressure distribution of impeller blade section under different speed (0.9span)

綜上，航速變化影響了葉輪葉片載荷情況，為了進(jìn)一步研究航速變化對(duì)噴水推進(jìn)器能量變化的影響，下面對(duì)不同航速下過流部件湍動(dòng)能變化規(guī)律進(jìn)行研究.

3.2 過流部件湍動(dòng)能分析

湍動(dòng)能作為流體能量耗散情況以及湍流中脈動(dòng)劇烈程度的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，湍動(dòng)能越大，表明能量耗散越嚴(yán)重.圖11為推進(jìn)器過流部件葉輪區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)以及噴嘴區(qū)沿軸向中間截面在4個(gè)不同航速1，15，30，45 knot下的湍動(dòng)能分布云圖.

圖11 不同航速下軸向中間截面湍動(dòng)能分布云圖

從圖11可以看出，湍動(dòng)能隨著航速增加，總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì).在低航速(1～15 knot)時(shí)增加并不明顯.在高航速(30～45 knot)時(shí)，最大湍動(dòng)能增加幅值較大.各航速下的湍動(dòng)能最大值主要分布在輪緣處,這主要是由于葉輪輪緣處存在間隙，葉輪壓力面壓力大，吸力面壓力小，由于壓差作用，輪緣間隙內(nèi)產(chǎn)生間隙泄漏流動(dòng)，輪緣間隙較小，產(chǎn)生射流與來流相互作用，導(dǎo)致泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)，形成高湍動(dòng)能區(qū).隨著航速增加，湍動(dòng)能較大區(qū)域向輪轂處擴(kuò)展.如圖11所示，在葉片進(jìn)口處，葉片壓力面與工作面均產(chǎn)生較高湍動(dòng)能，原因是葉片進(jìn)口處壓力面被來流沖擊，產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，然后又與主流相互作用形成回流.航速較低時(shí)，葉輪進(jìn)口流量小，進(jìn)口液流角小于葉片安放角，葉片進(jìn)口壓力面被來流沖擊.隨著航速增加，葉輪進(jìn)口流量增大，進(jìn)口液流角增加，沖擊效果減弱.泵軸功率減小，可見航速的變化影響了噴水推進(jìn)器能量轉(zhuǎn)化.

水泵葉輪中流動(dòng)屬于高雷諾數(shù)湍流，流動(dòng)能量耗散主要以湍動(dòng)能形式存在，湍流耗散功率可以表征流動(dòng)能量損失，在湍動(dòng)能核心區(qū)域，湍流耗散功率為

(4)

式中：P2為湍動(dòng)能耗散功率；ε為湍動(dòng)能耗散率.

圖12表明從流動(dòng)能量損失角度，隨著航速增加，葉輪流動(dòng)損失加大，在高航速區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)損失增幅大于低航速區(qū)損失增幅.

圖12 不同航速下葉輪能量損失

3.3 噴水推進(jìn)器各截面流動(dòng)分析

為了分析航速變化對(duì)噴水推進(jìn)器內(nèi)部流動(dòng)的影響，觀察圖7各截面速度流線分布情況.從圖13中可以看出，各個(gè)航速下水流高速區(qū)集中在進(jìn)水流道傾斜直管段的下壁面，低速區(qū)集中在上壁面.1 knot 時(shí)，截面1下壁面有一對(duì)不明顯旋渦出現(xiàn)，這是由于船底水域的部分上游來流進(jìn)入流道內(nèi)部，另一部分沿進(jìn)水口外側(cè)流向下游.進(jìn)水管道下壁面受管道內(nèi)部流動(dòng)和外側(cè)相對(duì)高速流動(dòng)的雙重作用，從而形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生旋渦.在30 knot時(shí)，航速高，流體流速快，主要沿進(jìn)水流道下壁面流動(dòng)，上壁面易出現(xiàn)死水區(qū)并與主流相互作用，從而造成截面1上壁面流體流動(dòng)紊亂.

截面2經(jīng)過驅(qū)動(dòng)軸，受驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)和彎管曲率變化的影響，截面2出現(xiàn)的旋渦較截面1更加明顯.低航速時(shí)，來流沖擊下壁面，旋渦集中在下壁面附近.高航速時(shí)，下彎管進(jìn)流導(dǎo)致進(jìn)水管上半部分流線曲率變化較大，受慣性力的影響，靠近上壁面流體先減速后加速，產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象.

隨著截面位置的提高，截面3速度大小分布較均勻，這是因?yàn)榻孛?附近曲率變化小.從截面3上的旋渦分布可以看出旋渦發(fā)生順時(shí)針方向的移動(dòng)，受圓柱繞流的影響，液流在驅(qū)動(dòng)軸上方發(fā)生脫落形成新的反向渦對(duì).隨著航速增加，旋渦數(shù)量減少，旋渦相互融合，截面3在高航速時(shí)的旋渦融合成一個(gè)大旋渦.

截面4相較于進(jìn)水流道內(nèi)部截面流動(dòng)較為均勻，沒有明顯旋渦產(chǎn)生，在葉輪葉片做功下流體流速明顯增加，截面5流動(dòng)較為擾亂，在低航速和高航速時(shí)，均有旋渦產(chǎn)生，出現(xiàn)的旋渦數(shù)量大致等于導(dǎo)葉葉片數(shù)，由于葉輪出口到導(dǎo)葉進(jìn)口的軸向間距較短，且葉輪出口流速過高，從而導(dǎo)致導(dǎo)葉內(nèi)部的不穩(wěn)定流動(dòng)，并伴有旋渦產(chǎn)生.

4 結(jié) 論

1) 噴水推進(jìn)器葉輪葉片在不同切面處的壓力載荷隨航速變化規(guī)律基本一致，隨著航速增加，吸力面與壓力面壓力差值逐漸減小，在葉片進(jìn)口邊壓力達(dá)到峰值，在葉片出口邊壓力均略有下降.不同航速下，葉片進(jìn)口邊壓力均出現(xiàn)負(fù)值，相較葉片其他位置，進(jìn)口邊位置壓力面和吸力面的壓差最大.

2) 噴水推進(jìn)器各過流部件湍動(dòng)能隨著航速增加，湍動(dòng)能增大，受航速增加的影響，內(nèi)部容易產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)，各航速下的湍動(dòng)能最大值主要分布在輪緣處，從流動(dòng)能量損失角度，葉輪在高航速時(shí)的流動(dòng)損失增幅大于低航速.

3) 進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)受驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)和彎管曲率變化影響，出現(xiàn)帶有旋渦的不均勻流動(dòng)，旋渦受航速影響，低航速時(shí)旋渦集中于進(jìn)水流道下壁面，高航速時(shí)旋渦集中于進(jìn)水流道上壁面，在高航速時(shí)，旋渦會(huì)發(fā)生融合現(xiàn)象.