噴口形狀對(duì)噴水推進(jìn)器性能的影響

孔冬梅，潘中永，宗平

(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)是一種新式船舶航行技術(shù)，噴水推進(jìn)器葉輪高速旋轉(zhuǎn)對(duì)吸入的水流做功，其產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)船向前航行[1-5].噴水推進(jìn)器的噴口是一個(gè)阻力部件，通常放置在噴水推進(jìn)泵的尾部，負(fù)責(zé)輸送經(jīng)導(dǎo)葉整流的水，使得噴口射出的水流獲得更大的速度，從而獲得更大的推力.噴口的主要參數(shù)有噴口軸向長(zhǎng)度、噴口口徑、噴口形狀[6-8].

目前，隨著噴水推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)提高噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能的研究成果也越來(lái)越多.WILLEM等[9]將數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)研究混流式噴水推進(jìn)器的可靠性.HUANG等[10]采用CFD方法，分析了進(jìn)水流道參數(shù)(長(zhǎng)徑比、入射角進(jìn)水口收縮比、出口膨脹比以及葉尖間隙比)對(duì)噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能的影響.丁江明等[11]運(yùn)用ANSYS CFD對(duì)混流式噴水推進(jìn)器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了各部件的推力分布情況.潘中永等[12]采用多重參考系法(MRF)研究流量對(duì)斜流式噴水推進(jìn)器的影響.NI等[13]對(duì)噴水推進(jìn)器噴口口徑進(jìn)行優(yōu)化分析，使最優(yōu)效率點(diǎn)處噴水推進(jìn)器運(yùn)行滿足快艇的阻力特性.程龍等[14]對(duì)3種不同形狀(直線形、弧線形、雙扭曲線形)噴口的噴水推進(jìn)器進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)對(duì)比分析，結(jié)果表明雙扭曲線形噴口可以有效提高兩棲裝備的效率.

1 數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)

選用軸流式噴水推進(jìn)器，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)：額定流量為1 342 m3/h，揚(yáng)程為44 m，額定轉(zhuǎn)速為3 850 r/min.噴水推進(jìn)器的主要幾何參數(shù)：葉輪進(jìn)口直徑Dj=240 mm，葉輪葉片數(shù)Z1=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=7，噴口進(jìn)口直徑D3=240 mm，噴口出口直徑D4=130 mm，噴口軸向長(zhǎng)度d=210 mm.進(jìn)水流道進(jìn)水口長(zhǎng)度L=590 mm.為了流體在進(jìn)入葉輪時(shí)充分穩(wěn)定并降低回流影響，將進(jìn)水流道進(jìn)口進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng).建立實(shí)體三維幾何模型如圖1所示.

圖1 噴水推進(jìn)器模型

1.2 噴口模型

噴水推進(jìn)器的噴口形狀一般有內(nèi)縮形和外縮形2種.在噴口直徑一定時(shí)，噴口的有效面積與噴口形狀有關(guān)，流體流經(jīng)噴口時(shí)，由于噴口處截面面積突變對(duì)水流產(chǎn)生收縮作用，這種效應(yīng)將在流體流出噴口后在一定范圍繼續(xù)作用，這使得噴水推進(jìn)器獲得一定的推力.其中，內(nèi)縮形環(huán)形噴口尺寸較大，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的倒車水斗裝置尺寸變大，增加了推進(jìn)器整體質(zhì)量，這不利于系統(tǒng)的整體布局.因此，在噴水推進(jìn)器中通常采用外縮形噴口，工程實(shí)際中常見(jiàn)的噴口形狀有平面形、凹面形以及凸面形，如圖2所示.

圖2 噴口模型

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件對(duì)噴水推進(jìn)器過(guò)流部件(進(jìn)口延長(zhǎng)段、葉輪、導(dǎo)葉以及進(jìn)水流道)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.在額定轉(zhuǎn)速3 850 r/min下對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬得出的推力進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn).當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于350萬(wàn)時(shí)，推力T基本趨于穩(wěn)定，如圖3所示.因此，網(wǎng)格數(shù)量N確定約為432萬(wàn).

圖3 網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2 計(jì)算方法與邊界條件

2.1 推力方程

當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，航速一定，噴水推進(jìn)器的推力方程[4]為

T=ρQ(vj-αv0)，

(1)

式中：T為推力；vj為系統(tǒng)出口速度；α為伴流系數(shù)；v0為船舶航行速度；αv0為系統(tǒng)進(jìn)口速度，設(shè)計(jì)時(shí)，伴流系數(shù)估算為0.9[5].

2.2 數(shù)值方法及邊界條件設(shè)置

以噴水推進(jìn)泵和進(jìn)水流道為數(shù)值計(jì)算區(qū)域，采用雷諾時(shí)均控制方程求解計(jì)算域內(nèi)三維黏性不可壓湍流場(chǎng).湍流模型采用SSTk-ω湍流模型，它結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型穩(wěn)定效率高和k-ω模型邊界層計(jì)算精度高的優(yōu)勢(shì)，可精確處理大應(yīng)力剪切流情況，使用壁面增強(qiáng)函數(shù)，加密邊界層，量綱為一的壁面距離y+的值為3～140，滿足SSTk-ω湍流模型計(jì)算要求.其中葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其余部件為靜止域.進(jìn)出口邊界條件：總壓進(jìn)口，Opening出口.葉輪葉片、輪轂、輪緣壁面采用Rotating smooth no-slip wall，導(dǎo)葉、進(jìn)水流道及進(jìn)口延伸段、葉輪外壁面采用Smooth no-slip wall，近壁面處采用壁面函數(shù).動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子.空化計(jì)算時(shí)，加入具有精確性和收斂性較好的Zwart空化模型，材料為25 ℃時(shí)的水蒸氣，其中從氣態(tài)到液態(tài)，體積分?jǐn)?shù)由0～1變化，飽和蒸汽壓力3 575 Pa；穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，其收斂精度為10-5.

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同轉(zhuǎn)速下噴水推進(jìn)器推力及分布

圖4為不同轉(zhuǎn)速下各個(gè)形狀噴口噴水推進(jìn)器推力T曲線.低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，3種形狀噴口推進(jìn)器推力相近；隨著轉(zhuǎn)速增加到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，凹面形與凸面形噴口推進(jìn)器推力曲線相似，但平面形噴口推進(jìn)器推力開(kāi)始大于凹面形與凸面形噴口推進(jìn)器推力，且隨著轉(zhuǎn)速的增加差距越來(lái)越大；隨著轉(zhuǎn)速增加到4 900 r/min時(shí)，凹面形與凸面形噴口推進(jìn)器推力曲線斜率急劇減小，但平面形噴口推進(jìn)器推力曲線斜率減小程度很小.以上分析表明，在高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)選用平面形噴口.

HPLC-CAD法同時(shí)測(cè)定風(fēng)濕定片中7種活性成分的含量…………………………………………………… 侯愛(ài)榮等（23）：3212

圖4 不同形狀噴口對(duì)噴水推進(jìn)器推力的影響

3.2 空化對(duì)噴水推進(jìn)器出口流量及推力的影響

圖5為不同轉(zhuǎn)速下噴水推進(jìn)器有無(wú)空化時(shí)噴口流量Q、推力對(duì)比折線圖.

圖5 噴水推進(jìn)器流量與推力比較

圖5a表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于3 850 r/min時(shí)，有無(wú)發(fā)生空化噴口處流量變化趨勢(shì)都基本一致，即出口流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3 850 r/min時(shí)，由于空化出現(xiàn)，噴口出口流量曲線斜率趨于平緩；當(dāng)轉(zhuǎn)速在4 900 r/min附近時(shí)，噴口處流量開(kāi)始下降，這說(shuō)明葉輪做功能力被噴水推進(jìn)器內(nèi)部空化嚴(yán)重影響.圖5b表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于4 250 r/min時(shí)，有無(wú)發(fā)生空化噴水推進(jìn)器推力曲線變化基本相似，即推力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)4 250 r/min時(shí)，發(fā)生空化的噴水推進(jìn)器推力折線曲率呈現(xiàn)先增大后減小的狀況，在高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)減小趨勢(shì)較為明顯.以上分析表明：當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)4 250 r/min時(shí)，噴水推進(jìn)器內(nèi)部的空化影響葉輪的做功能力，從而引起其出口流量減小和推力性能下降.

3.3 噴口流線分布

圖6，7分別為額定轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速時(shí)各噴口出口截面速度流線圖.通過(guò)對(duì)比可知，噴口處的出口速度隨葉輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，其速度流線分布也隨葉輪轉(zhuǎn)速的增大越不均勻.其中，2種轉(zhuǎn)速下凸面形和平面形噴口中出口速度流線分布較好，流道內(nèi)速度差較小，能夠?yàn)閲娝七M(jìn)器提供較好的推力；凹面形噴口的出口速度最高但其分布最不均勻，這會(huì)顯著降低噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率.

圖6 額定轉(zhuǎn)速(3 850 r/min)噴口出口截面速度流線圖

圖7 高轉(zhuǎn)速(4 500 r/min)噴口出口截面速度流線圖

圖8 不同轉(zhuǎn)速下噴口出口平均速度

圖9，10分別為額定轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速時(shí)中截面流線圖.如圖9所示，在額定轉(zhuǎn)速下，凸面形和凹面形出口處噴射速度高于平面形噴口出口速度，其中凹面形噴口最高速度在噴口彎曲處，即噴口低壓區(qū).但平面形噴口噴射水流的有效面積最大、流線速度分布均勻，且沿著噴口內(nèi)壁面水流速度最高時(shí)，其推進(jìn)性能更優(yōu).如圖10所示，高轉(zhuǎn)速時(shí)各噴口出口速度及高速區(qū)域面積均大于額定轉(zhuǎn)速，然而凹面形噴口中高速水流區(qū)并未移動(dòng).通過(guò)對(duì)比分析，在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，裝有平面形噴口的噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能最優(yōu).

圖9 額定轉(zhuǎn)速中截面流線圖

圖10 高轉(zhuǎn)速中截面流線圖

3.4 噴口壓力分布

圖11，12為額定轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速時(shí)噴水推進(jìn)器流線圖及中截面壓力p云圖.由圖可知，平面形和凹面形噴口的噴水推進(jìn)器內(nèi)部流線分布相似，而凸面形噴口中流線相對(duì)復(fù)雜，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，凸面形噴口的噴水推進(jìn)器內(nèi)部流線分布愈加紊亂.在額定轉(zhuǎn)速下，平面形和凸面形噴口出口區(qū)域壓力均勻變化，而凹面形噴口彎曲近壁面壓力較低，使得其噴口壓力不規(guī)則分布；高轉(zhuǎn)速時(shí)平面形和凸面形噴口出口壓力無(wú)明顯變化，而凹面形噴口彎曲近壁面低壓區(qū)變大.

圖11 額定轉(zhuǎn)速時(shí)推進(jìn)器流線圖及中截面壓力云圖

圖12 高轉(zhuǎn)速時(shí)推進(jìn)器流線圖及中截面壓力云圖

圖13，14為不同轉(zhuǎn)速下噴口出口截面壓力圖.在額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下，平面形和凸面形噴口中壓力分布情況基本相同；平面形和凹面形噴口中總體壓力高于凸面形噴口，而噴口處的高壓是形成高速水流的重要因素.在高轉(zhuǎn)速下，凹面形噴口靠近內(nèi)壁面處存在低壓區(qū)，這是因?yàn)樵撎幇l(fā)生了空化.由圖可以看出，凹面形噴口中最大壓力雖然高于平面形噴口中最大壓力，但平面形噴口中壓力梯度相對(duì)較小、高壓區(qū)分布相對(duì)較大，能夠輸出較為穩(wěn)定的動(dòng)力.

圖13 額定轉(zhuǎn)速時(shí)噴口出口壓力分布

圖14 高轉(zhuǎn)速時(shí)噴口出口壓力分布

圖15 不同葉輪轉(zhuǎn)速下噴口出口平均壓力分布

3.5 噴口湍動(dòng)能分析

圖16,17為不同轉(zhuǎn)速下各噴口出口湍動(dòng)能k分布云圖.如圖16所示，在額定轉(zhuǎn)速下，3種噴口內(nèi)部湍動(dòng)能分布空間大致相同，湍動(dòng)能最大值大多出現(xiàn)在噴口近壁面處，根據(jù)上文提到的噴口內(nèi)部速度和壓力分布可知，噴口內(nèi)湍動(dòng)能較大的區(qū)域與其他區(qū)域有較大的速度梯度差和壓力梯度差，從而導(dǎo)致該處的流動(dòng)復(fù)雜，能量耗散較多；通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凹面形和凸面形噴口中內(nèi)部湍動(dòng)能值大于平面形噴口中湍動(dòng)能值，這表明額定轉(zhuǎn)速下平面形噴口內(nèi)部能量耗散較少.如圖17所示，在高轉(zhuǎn)速下凹面形噴口中湍動(dòng)能最大值比額定轉(zhuǎn)速下小，但其湍動(dòng)能值較大區(qū)域在擴(kuò)大，加劇了該處流動(dòng)的復(fù)雜程度；而平面形噴口中湍動(dòng)能最大值較額定轉(zhuǎn)速下在增大，但其湍動(dòng)能較大值區(qū)域在縮小，因此在高轉(zhuǎn)速下平面形噴口能量耗散比凹面形噴口少.凸面形噴口中湍動(dòng)能值較大分布空間隨轉(zhuǎn)速增加變化不顯著，但湍動(dòng)能最大值顯著增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面形和凹面形.

圖16 額定轉(zhuǎn)速噴口出口湍動(dòng)能分布

圖17 高轉(zhuǎn)速噴口出口湍動(dòng)能分布

圖18，19為不同轉(zhuǎn)速下各噴口中截面湍動(dòng)能分布云圖.各噴口內(nèi)部湍動(dòng)能最大值主要分布在噴口出口附近；且當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸升高，高湍動(dòng)能區(qū)域逐漸向噴口出口移動(dòng).平面形和凹面形噴口中湍動(dòng)能值相差不大，但凹面形噴口流道內(nèi)高湍動(dòng)能區(qū)域面積較大，幾乎占據(jù)整個(gè)噴口區(qū)域，能量耗散較為嚴(yán)重，這大大降低了噴水推進(jìn)器的推進(jìn)能力.

圖18 額定轉(zhuǎn)速中截面湍動(dòng)能分布

圖19 高轉(zhuǎn)速中截面湍動(dòng)能分布

3.6 噴口渦核分布

圖20為額定轉(zhuǎn)速下(SS=600等值面)各噴口內(nèi)部渦核分布圖.

圖20 額定轉(zhuǎn)速噴口渦核分布(SS=600)

為深入探究3種形狀噴口內(nèi)部流動(dòng)情況，引入旋渦強(qiáng)度(swirling strength,簡(jiǎn)稱SS)定量表示螺旋流強(qiáng)度.

(1)

式中：λci為渦通量，表示流場(chǎng)中旋渦強(qiáng)弱和分布；u，v分別為流場(chǎng)中x，y方向上的速度.

對(duì)比圖20a，b，c，各噴口流道內(nèi)渦核大多分布在噴口近壁面區(qū)域，這是由于高速射流集中在噴口近壁面區(qū)域，使得噴口內(nèi)流道速度梯度變大，低速區(qū)更加容易出現(xiàn)渦核.3個(gè)噴口中，凹面形噴口中渦核強(qiáng)度最大，且在噴口內(nèi)壁面發(fā)生空化，出現(xiàn)少量渦核在此處聚集.圖21為高轉(zhuǎn)速噴口渦核分布(SS=600).如圖可知，隨轉(zhuǎn)速升高，各噴口流道內(nèi)速度梯度不斷變大，渦核聚集空間也在擴(kuò)大，尤其是凹面形噴口中渦核聚集空間擴(kuò)大最為顯著，表明凹面形噴口流道內(nèi)流動(dòng)最為復(fù)雜.

圖21 高轉(zhuǎn)速噴口渦核分布(SS=600)

4 結(jié) 論

文中對(duì)軸流式噴水推進(jìn)器進(jìn)行數(shù)值分析，研究3種形狀噴口在葉輪轉(zhuǎn)速變化時(shí)噴水推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)狀況及推進(jìn)器推力性能，尋找最優(yōu)推進(jìn)性能的噴口形狀，為進(jìn)一步提高噴水推進(jìn)器推力性能提供理論基礎(chǔ).主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)3種形狀噴口推進(jìn)器推力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平面形噴口的噴水推進(jìn)器推力性能始終略高于凸面形和凹面形噴口的推進(jìn)器.在高轉(zhuǎn)速時(shí)，凹面形與凸面形噴口推進(jìn)器推力曲線斜率陡然減小，這是因?yàn)槠矫嫘螄娍谑芸栈绊懕劝济嫘魏屯姑嫘螄娍诙夹。~輪做功能力最好.

2)在葉輪轉(zhuǎn)速低于4 000 r/min時(shí)，噴水推進(jìn)器內(nèi)部發(fā)生空化，對(duì)推進(jìn)器出口流量及推力性能影響不大.但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min時(shí)，噴水推進(jìn)器內(nèi)部發(fā)生空化，使過(guò)流部件中存在氣體，降低了葉輪做功能力，使得推進(jìn)器推力減小，出口流量減少.

3)通過(guò)分析3種形狀噴口在額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下其內(nèi)部速度、壓力、湍動(dòng)能以及渦核狀況，發(fā)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下平面形噴口的噴水推進(jìn)器綜合推進(jìn)性能最高.對(duì)于凹面形噴口，由于該噴口內(nèi)部截面面積較其他2種形狀噴口變化較大，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，速度梯度最大，從而降低了噴水推進(jìn)器的性能.對(duì)于凸面形噴口，由于該噴口收縮程度沒(méi)有平面形噴口好，導(dǎo)致噴口截面處及噴口內(nèi)部總體速度略小于平面形噴口，從而對(duì)推進(jìn)性能產(chǎn)生影響.