噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流研究進(jìn)展

李偉，楊震宇，施衛(wèi)東，李恩達(dá)，季磊磊

(1. 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； 2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009； 3. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

噴水推進(jìn)裝置是一種利用水流的反作用力來(lái)獲得推力的動(dòng)力裝置.在高速船舶、潛水艇上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].ITTC定義的典型噴水推進(jìn)動(dòng)量傳遞模型如圖1所示，液體經(jīng)進(jìn)水流道進(jìn)入葉輪，在導(dǎo)葉的作用下到達(dá)噴口處.然而，受進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)影響，流道內(nèi)流體出現(xiàn)明顯的速度與壓力梯度，液體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)旋轉(zhuǎn)失速、空化等失穩(wěn)問(wèn)題[4-5].近年來(lái)，對(duì)非均勻進(jìn)流的成因已有一定的研究，但對(duì)其造成的影響分析還不夠透徹.液體通過(guò)船底邊界層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，流道底部速度高于頂部，進(jìn)而引發(fā)流動(dòng)分離，影響裝置的穩(wěn)定性[6].

圖1 噴水推進(jìn)器理論模型

由于噴水推進(jìn)器的試驗(yàn)較為復(fù)雜且成本很高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)非均勻進(jìn)流的研究主要采用數(shù)值模擬的方法[7-10].結(jié)合本課題組前期研究成果，文中分別從噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流的描述與評(píng)價(jià)、非均勻進(jìn)流的主要成因、影響非均勻進(jìn)流的關(guān)鍵因素、非均勻進(jìn)流的不良影響等4個(gè)方面總結(jié)非均勻進(jìn)流的研究現(xiàn)狀，并提出噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容和方向.

1 非均勻進(jìn)流的描述與評(píng)價(jià)

噴水推進(jìn)泵在運(yùn)行過(guò)程中，受進(jìn)水流道以及驅(qū)動(dòng)軸擾動(dòng)的影響，在進(jìn)口流面處會(huì)出現(xiàn)速度與壓力分布不均勻的現(xiàn)象.由于進(jìn)水流道的上曲面與下曲面的曲率不同，在進(jìn)口流面處，上壁面速度低于下壁面速度，速度具有周向不均勻性.同時(shí)流動(dòng)產(chǎn)生的慣性力會(huì)發(fā)生變化，打破原本的平衡，橫向壓力發(fā)生變化，誘發(fā)二次流并與主流疊加，形成復(fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng).

HU等[11]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)推進(jìn)水泵進(jìn)流面的進(jìn)流狀態(tài)進(jìn)行分析.BRANDNER等[12]通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)推進(jìn)水泵進(jìn)流面進(jìn)流壓力的分布進(jìn)行了深入分析.DUERR等[13]通過(guò)對(duì)進(jìn)流的仿真也得到類似結(jié)果.本課題組[14]針對(duì)20 m/s航速下混流式噴水推進(jìn)泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，獲得泵進(jìn)流面壓力分布，如圖2所示，在混流式噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處會(huì)出現(xiàn)徑向速度與壓力分布不均勻現(xiàn)象，受驅(qū)動(dòng)軸影響，流體流向改變，形成復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)，并引發(fā)流動(dòng)分離，形成分離渦.

圖2 高航速下噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面壓力與速度分布云圖

為了定量分析流面速度的變化，魏應(yīng)三等[15]定義了速度不均勻度系數(shù)ξ，并發(fā)現(xiàn)不同進(jìn)口速度比下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處不均勻度也會(huì)發(fā)生改變.

(1)

BULTEN[16]通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)可能影響不均勻度的因素進(jìn)行研究，并比較了不同運(yùn)行條件下ξ值的變化，即

(2)

式中：v為局部軸向速度，m/s；vpump為平均軸向速度，m/s.

噴水推進(jìn)器通過(guò)水流反作用產(chǎn)生的動(dòng)量來(lái)推進(jìn)航行，CHESNAKAS等[17]提出利用動(dòng)量和能量不均勻系數(shù)來(lái)分析進(jìn)流的不均勻性，即

(3)

(4)

對(duì)于噴水推進(jìn)泵而言，總壓過(guò)低的區(qū)域可能嚴(yán)重到足以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子負(fù)載不穩(wěn)定或發(fā)生空化現(xiàn)象.DUERR等[13]引入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的周向總壓畸變指數(shù)DC60來(lái)量化噴水推進(jìn)泵進(jìn)流不均勻度，該指標(biāo)本質(zhì)上用于查找圓周方向上的最差區(qū)域.

(5)

式中：ptot60和ptot360分別為過(guò)流斷面60°和360°區(qū)域內(nèi)的平均總壓；v0為船舶航速.

2 非均勻進(jìn)流的主要成因

2.1 驅(qū)動(dòng)軸的擾動(dòng)

在噴水推進(jìn)器運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)軸周圍具有明顯的壓力梯度，在壓差的作用下，流體流向改變，形成復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)，并引發(fā)流動(dòng)分離，形成分離渦，導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵入口處進(jìn)流不均勻.HU等[11]對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)模擬噴水推進(jìn)器在不同航速下的工作狀態(tài)，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸擾動(dòng)造成的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸的存在是造成進(jìn)流不均勻的重要原因.在唇緣區(qū)域附近和管道出口處，進(jìn)流狀態(tài)會(huì)發(fā)生劇烈變化，而驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸對(duì)進(jìn)流管輸出流量的影響很大，但是隨著雷諾數(shù)的增大，該影響變小.同時(shí)，隨著速度比IVR的減小，進(jìn)流管出口處(即葉輪入口)的流場(chǎng)變得更加均勻.SEIL[18]發(fā)現(xiàn)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，葉輪進(jìn)口處流動(dòng)狀態(tài)更為穩(wěn)定.劉瑞華等[19]取消驅(qū)動(dòng)軸的存在并通過(guò)齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)該種方式下噴水推進(jìn)泵的運(yùn)行效率更高.

2.2 邊界層厚度

受船底邊界層影響，進(jìn)水流道斜坡處發(fā)生流動(dòng)分離，并出現(xiàn)大面積的渦旋結(jié)構(gòu)，在噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道處出現(xiàn)顯著的流動(dòng)分離現(xiàn)象，并在噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面形成周向不均勻分布的非均勻進(jìn)流.BRANDNER等[12]對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了邊界層厚度對(duì)進(jìn)流的影響，發(fā)現(xiàn)邊界層厚度的增加明顯減少了坡道邊界層的分離和泵表面流動(dòng)的畸變，但隨著邊界層的加厚，空化發(fā)生的可能性也隨之增大.ROBERTS等[20]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)邊界層的影響進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證.

2.3 進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)

PARK等[21]對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行PIV試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較低的船速下，進(jìn)水流道唇部處更容易出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，并導(dǎo)致空化的產(chǎn)生.BRANDNER等[12]通過(guò)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象.BULTEN[16]對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)行全流場(chǎng)仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水流道尺寸結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致非均勻進(jìn)流現(xiàn)象的重要原因.DUERR等[13]在BRANDNER[12]和BULTEN[16]的研究基礎(chǔ)上，綜合分析了非均勻進(jìn)流的成因：① 受船底邊界層的影響，噴水推進(jìn)泵TDC(上止點(diǎn)，即泵運(yùn)行位置的最頂端)附近的軸向速度降低；② 軸尾流導(dǎo)致TDC附近的軸向速度不足，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)將賦予流體一個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；③ 彎管導(dǎo)致的二次流動(dòng).

綜上所述，進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)軸擾動(dòng)、船底邊界層以及航速是導(dǎo)致進(jìn)水流道內(nèi)部形成非均勻進(jìn)流的重要原因.同時(shí)航速的提高會(huì)導(dǎo)致進(jìn)流不均勻性進(jìn)一步惡化，使得泵內(nèi)部流動(dòng)更不穩(wěn)定.

3 影響非均勻進(jìn)流的因素

船舶運(yùn)行過(guò)程中，受驅(qū)動(dòng)軸擾動(dòng)、船底邊界層厚度及進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵進(jìn)口處流動(dòng)不均勻，除此之外，在以往研究中發(fā)現(xiàn)不同的進(jìn)口速度比IVR以及船舶航行速度下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)口截面處速度與壓力的周向分布不均勻性更加明顯，進(jìn)流的不均勻度也會(huì)發(fā)生較大的變化.

3.1 進(jìn)口速度比IVR

BULTEN等[16]通過(guò)改變船與泵的進(jìn)口速度比IVR對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)流動(dòng)情況進(jìn)行研究，進(jìn)口速度比IVR計(jì)算式為

(6)

式中：v0為船舶航速，m/s；v2為進(jìn)水流道入口平均速度，m/s.

BULTEN等[16]發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)器在相對(duì)較低船速下運(yùn)行時(shí)IVR會(huì)小于1，這表明在進(jìn)入進(jìn)水流道時(shí)液體流動(dòng)速度會(huì)加快.此時(shí)，分流管線的停滯點(diǎn)位于進(jìn)水口的船體一側(cè).這可能會(huì)導(dǎo)致唇部上側(cè)入口處發(fā)生汽蝕或流動(dòng)分離.如果船舶以設(shè)計(jì)速度航行，IVR值將大于2.0，這表明在進(jìn)入進(jìn)水流道時(shí)，液體流動(dòng)速度會(huì)減緩，此時(shí)，停滯點(diǎn)位于進(jìn)水口的入口側(cè)，而汽蝕位置位于唇部的船體一側(cè)，進(jìn)水流道中流體的減速會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水流道中壓力梯度下降.如果此壓力梯度太大，則可能在入口頂部發(fā)生流動(dòng)分離.

王洋等[22]在對(duì)軸流式噴水推進(jìn)泵的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，不均勻度ζ可以用來(lái)評(píng)價(jià)噴水推進(jìn)泵的進(jìn)流品質(zhì).DUERR等[13]在對(duì)進(jìn)水流道轉(zhuǎn)彎工況下出口質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不均勻度ζ同樣適用.成立等[23]發(fā)現(xiàn)IVR可以用于進(jìn)水流道設(shè)計(jì)參考.李恩達(dá)[14]前期研究獲得了不同航速下進(jìn)口速度比IVR以及不均勻度ζ，發(fā)現(xiàn)當(dāng)IVR增加時(shí)，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流不均勻度也隨之增加.進(jìn)流面頂部分離渦尺度逐漸變大，分離渦處流體速度明顯降低，進(jìn)流分布不均勻度變大，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流狀態(tài)急劇惡化.而當(dāng)IVR值較低時(shí)，進(jìn)流不均勻度較低，進(jìn)流品質(zhì)相對(duì)較好，該結(jié)果與BULTEN[16]研究?jī)?nèi)容相一致.

BULTEN[16]對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)的壓力系數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)比分析IVR為1.07和2.03時(shí)在對(duì)稱面上的壓力分布，發(fā)現(xiàn)IVR對(duì)壓力分布的影響并不局限于斜坡處，在死水和入口彎道處也會(huì)看到明顯的壓力差，如圖3所示.

圖3 不同IVR時(shí)對(duì)稱面壓力系數(shù)Cp

3.2 船舶航行速度

DUERR等[13]對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)行數(shù)值模擬，在一定速度范圍內(nèi)通過(guò)改變噴水推進(jìn)泵入口流量來(lái)評(píng)估軸向速度的不均勻程度.研究發(fā)現(xiàn)，在大流量下噴水推進(jìn)泵入口處不均度更高.對(duì)于以穩(wěn)定船速航行的典型船舶，噴水推進(jìn)泵以恒定的運(yùn)行工況運(yùn)行，通過(guò)改變船舶運(yùn)行的速度，發(fā)現(xiàn)噴水推進(jìn)泵入口處速度的徑向分布與船速無(wú)關(guān).

本課題組[14]對(duì)額定轉(zhuǎn)速時(shí)不同航速下噴水推進(jìn)泵內(nèi)流進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，額定轉(zhuǎn)速下，不均勻度ζ會(huì)隨著船速的增加而增加.在高航速下，噴水推進(jìn)泵進(jìn)流面不均勻度較大，存在著較大的速度梯度關(guān)系；而當(dāng)船速逐漸降低時(shí)，不均勻度逐漸趨近于0.在不同航速下，進(jìn)水流道流體流態(tài)也有所差異，如圖4所示，圖中pw為量綱一化后的壓力.在高航速下，進(jìn)水流道驅(qū)動(dòng)軸下方顯現(xiàn)大面積低壓區(qū)，隨著航速的減小，斜坡處低壓區(qū)減小，受唇部結(jié)構(gòu)影響，唇部附近出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域，壓差作用下，唇部流動(dòng)分離現(xiàn)象加劇.

圖4 不同航行速度下進(jìn)水流道軸面壓力分布圖

圖5為額定轉(zhuǎn)速時(shí)不同航速下進(jìn)水流道速度分布圖.

圖5 不同航行速度下進(jìn)水流道軸面速度分布圖

由圖5可知，在整個(gè)進(jìn)流過(guò)程中，受流道半徑及驅(qū)動(dòng)軸影響，斜坡上方速度低于下方，導(dǎo)致進(jìn)水流道出口處速度分布發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)軸上端速度虧損，下端速度盈溢，在下側(cè)圓弧彎管處會(huì)形成一個(gè)高速區(qū)域，推測(cè)是由于流道曲率突然發(fā)生變化引起的，且隨著航速的增加，流道內(nèi)進(jìn)流速度亦逐漸增大.

4 非均勻進(jìn)流的不良影響

4.1 非均勻進(jìn)流對(duì)水力性能的影響

在船舶的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受非均勻進(jìn)流影響，其運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況會(huì)出現(xiàn)一定的偏差.在設(shè)計(jì)工況內(nèi)，與均勻進(jìn)流相比，非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程和效率都會(huì)有所下降，隨著流量的增加，其下降程度也隨之增加.BULTEN[16]對(duì)非均勻進(jìn)流條件下噴水推進(jìn)泵的水力性能進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的效率較均勻進(jìn)流有所下降，但是揚(yáng)程并未發(fā)生明顯變化.HU等[11]對(duì)比分析了均勻進(jìn)流與周向平均非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程與扭矩，發(fā)現(xiàn)周向平均非均勻進(jìn)流對(duì)泵的扭矩和揚(yáng)程沒(méi)有造成明顯影響.金實(shí)斌等[24]通過(guò)偏差量S來(lái)定義噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程與效率的變化.在設(shè)計(jì)工況下，噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程與效率有所下降，其降幅約為18.5%，且隨著流量的增大，泵的揚(yáng)程和效率也進(jìn)一步下降.王洋等[22]發(fā)現(xiàn)輪緣處周向分離渦會(huì)導(dǎo)致葉片載荷發(fā)生變化，進(jìn)一步影響推進(jìn)裝置運(yùn)行性能.LUO等[25]指出非均勻進(jìn)流會(huì)降低噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程、效率，增加葉輪軸向振動(dòng)，流動(dòng)失穩(wěn)、湍動(dòng)能產(chǎn)生及雷諾應(yīng)力擴(kuò)散是噴水推進(jìn)泵能量損失的主要原因.施衛(wèi)東等[26]通過(guò)比較不同進(jìn)流條件下軸流泵工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)非均勻流下軸流泵的揚(yáng)程下降，影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性.van ESCH等[27]通過(guò)測(cè)量總壓力的精確質(zhì)量平均數(shù)來(lái)計(jì)算揚(yáng)程.非均勻進(jìn)流下泵的揚(yáng)程和扭矩有所下降，對(duì)于這種輕微的不均勻性，揚(yáng)程和扭矩最多降低2.5%.同時(shí)對(duì)比研究了1 mm和2 mm間隙下噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程、扭矩、效率以及軸向力的變化，發(fā)現(xiàn)增加葉頂間隙會(huì)導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵性能的降低.王洋等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流在輪緣處演化為周向分離渦，并堵塞部分流道，影響其過(guò)流能力.

由上述研究可見(jiàn)，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪各流道流態(tài)分布呈現(xiàn)明顯差異性，其質(zhì)量流量以及過(guò)流能力均呈現(xiàn)周向不均勻分布，出現(xiàn)過(guò)流流道及堵塞流道，導(dǎo)致泵的水力性能較均勻進(jìn)流有所下降.

4.2 非均勻進(jìn)流對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化的影響

TAN等[28]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)均勻進(jìn)流下，葉輪出口處會(huì)出現(xiàn)空泡渦，影響噴水推進(jìn)裝置的運(yùn)行性能.ZHANG等[29]在對(duì)軸流泵的空化試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了相似的垂直空泡渦.龍?jiān)芠30]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化現(xiàn)象進(jìn)行研究，成功捕獲到葉輪內(nèi)部的空化渦結(jié)構(gòu).BONAIUTI等[8]通過(guò)逆向設(shè)計(jì)方法對(duì)噴水推進(jìn)泵的幾何形狀進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行CFD分析以評(píng)估流體的運(yùn)動(dòng).從試驗(yàn)測(cè)試以及CFD蒸氣體積分?jǐn)?shù)圖觀察葉輪表面，發(fā)現(xiàn)有氣穴附著在葉輪外殼上，如圖6所示.

圖6 空化發(fā)展的可視化試驗(yàn)

受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵內(nèi)部由于壓力的分布不均，在低壓處容易出現(xiàn)空泡，使得噴水推進(jìn)泵內(nèi)部出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象.MOTLEY等[31]基于流場(chǎng)仿真對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下轉(zhuǎn)子和定子上負(fù)載發(fā)生變化，高側(cè)應(yīng)力作用在定子與轉(zhuǎn)子葉片上，造成一定的汽蝕效應(yīng).圖7為轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片兩側(cè)20%蒸氣體積分?jǐn)?shù).大量薄薄的不穩(wěn)定氣穴覆蓋了吸力面?zhèn)却蟛糠謪^(qū)域，并且靠近轉(zhuǎn)子葉片壓力面?zhèn)鹊暮缶?由于氣穴相對(duì)較薄，空化作用較弱，因此在定子和轉(zhuǎn)子的這種特殊組合下，不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模阻塞問(wèn)題.

圖7 葉片和輪轂上20%蒸氣體積分?jǐn)?shù)

HUANG等[32]對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)空化是導(dǎo)致其內(nèi)部流動(dòng)紊亂的重要原因.本課題組[14]研究了混流式噴水推進(jìn)泵葉輪流道的空化特性.在高航速下，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪分為過(guò)流流道及堵塞流道.過(guò)流流道為流道2，堵塞流道為流道3和4.其中，堵塞流道進(jìn)流沖角過(guò)大容易在吸力面?zhèn)刃纬闪鲃?dòng)分離；而在過(guò)流流道中，進(jìn)流角反而小于葉片安放角進(jìn)而出現(xiàn)負(fù)沖角，在壓力面形成流動(dòng)分離現(xiàn)象.在船舶實(shí)際航行過(guò)程中，噴水推進(jìn)泵空化體積分布也呈現(xiàn)高度的不均勻性.堵塞流道由于液流速度低，葉頂泄漏流速度及泄漏量普遍偏小，未出現(xiàn)泄漏渦空化，而在吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)少量片狀空化渦.在過(guò)流流道，由于液流速度普遍較快，泄漏流速度及泄漏量甚至遠(yuǎn)高于均勻進(jìn)流情形，因此大量泄漏渦空化出現(xiàn)在過(guò)流流道輪緣區(qū).由負(fù)沖角形成的壓力面?zhèn)确蛛x渦也大量附著在壓力面，形成片狀空化渦，如圖8所示.王雪豹[33]通過(guò)對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析后得到相似結(jié)論：在高轉(zhuǎn)速下，葉片上會(huì)附著大量空泡，且從輪緣處逐漸發(fā)展到輪轂處，不同葉片處空泡體積分?jǐn)?shù)以及流道內(nèi)空泡的分布有較為明顯的差異性.

圖8 高航速下噴水推進(jìn)泵葉輪流道的空化特性

4.3 非均勻進(jìn)流對(duì)噴水推進(jìn)泵載荷的影響

由于進(jìn)流的不均勻，作用在轉(zhuǎn)子與定子上的載荷將會(huì)發(fā)生變化.在噴水推進(jìn)泵運(yùn)行過(guò)程中，非均勻的流入速度分布會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的徑向力，該力在慣性參考系中保持穩(wěn)定.BULTEN等[34]對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，非均勻進(jìn)流分布會(huì)在葉輪軸上產(chǎn)生穩(wěn)定的徑向力，該力的大小取決于不均勻程度，徑向力的方向幾乎與流入速度分布無(wú)關(guān).流量的變化表明，穩(wěn)定徑向力的方向隨著流量的降低而變化.GULICH[35]對(duì)多級(jí)泵、雙向泵進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)泵進(jìn)流速度的畸變會(huì)使徑向力發(fā)生變化，導(dǎo)致泵體發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生不良影響.曹璞玉[36]在研究非均勻進(jìn)流下葉片載荷時(shí)發(fā)現(xiàn)，非均勻進(jìn)流會(huì)導(dǎo)致葉片載荷分布發(fā)生變化，各葉片上載荷分布具有不均勻性.輪轂處，周向分離渦誘發(fā)的展向渦導(dǎo)致葉片做功能力降低，噴水推進(jìn)泵輪轂處揚(yáng)程也有所下降.而輪緣處，周向分離渦誘發(fā)的集中分離渦導(dǎo)致葉片的環(huán)量降低，輪緣處揚(yáng)程也因此出現(xiàn)折斷性下降.

4.4 非均勻進(jìn)流對(duì)噴水推進(jìn)泵旋轉(zhuǎn)失速的影響

船舶在實(shí)際航行過(guò)程中會(huì)常常處于啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、倒航等機(jī)動(dòng)條件.在機(jī)動(dòng)條件下，噴水推進(jìn)泵常處于部分負(fù)載工況運(yùn)行，導(dǎo)致葉輪出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象.它不僅會(huì)造成噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程損失[37]，還會(huì)誘發(fā)振動(dòng)噪聲等，使得泵內(nèi)部流動(dòng)狀況更加惡劣，甚至?xí)茐倪^(guò)流部件，造成葉片的損壞.EMMONS等[38]發(fā)現(xiàn)非均勻進(jìn)流下，葉輪內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速，影響流道過(guò)流能力.ZHANG等[39]對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了非均勻進(jìn)流下旋轉(zhuǎn)失速的觸發(fā)機(jī)制及出口長(zhǎng)度對(duì)失速裕度的影響.LIN等[40]通過(guò)高階畸變動(dòng)態(tài)模型，對(duì)失速發(fā)生時(shí)刻、位置進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別.LI等[41]通過(guò)控制總壓畸變強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口葉尖畸變、輪轂徑向畸變強(qiáng)度的捕捉，并提出葉尖空氣噴射技術(shù)顯著提高壓氣機(jī)失速裕度.馮建軍等[42]對(duì)離心泵進(jìn)口周向和徑向2種非均勻來(lái)流失速特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與均勻來(lái)流情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)非均勻入流會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生.本課題組[43]對(duì)不同工況下葉輪出口流態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)小流量下葉輪出口處更容易發(fā)生流動(dòng)畸變，造成流道堵塞和湍動(dòng)能耗散，使得揚(yáng)程驟降，由此提出駝峰區(qū)內(nèi)混流式噴水推進(jìn)泵失速狀態(tài)判別機(jī)理.同時(shí)，李恩達(dá)[14]對(duì)彎管進(jìn)流下混流式噴水推進(jìn)泵失速特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，獲得了不同進(jìn)流方式下葉輪液流特性分布，發(fā)現(xiàn)失速工況下，彎管進(jìn)流流態(tài)略好于直管進(jìn)流，葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)較為穩(wěn)定，彎管進(jìn)流能夠有效緩解失速工況下的不穩(wěn)定流態(tài)以及失速渦尺度.曹璞玉[36]在對(duì)非均勻進(jìn)流的研究中也有類似結(jié)論：受流道內(nèi)部渦旋擾動(dòng)，相較于直管均勻進(jìn)流，非均勻進(jìn)流揚(yáng)程會(huì)出現(xiàn)折斷性下降，周向分離渦擾動(dòng)代替系統(tǒng)擾動(dòng)誘發(fā)失速，導(dǎo)致能量耗散.

由此可見(jiàn)，均勻進(jìn)流下，旋轉(zhuǎn)失速會(huì)導(dǎo)致泵進(jìn)口處回流量激增，增加運(yùn)行損耗.但在非均勻進(jìn)流下，旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展進(jìn)程和模式可能會(huì)受到較大改變，某種情況下，非均勻進(jìn)流可能會(huì)起到抑制旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生的作用，但在全工況范圍內(nèi)，非均勻進(jìn)流導(dǎo)致的水力損失仍然較均勻進(jìn)流大.

4.5 非均勻進(jìn)流對(duì)噴水推進(jìn)泵壓力脈動(dòng)的影響

受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)與均勻進(jìn)流時(shí)存在差別.常書(shū)平等[44]研究了噴水推進(jìn)泵在設(shè)計(jì)工況、運(yùn)行工況時(shí)葉輪進(jìn)口與出口、導(dǎo)葉中部與出口的壓力脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)最大壓力脈動(dòng)發(fā)生在葉輪進(jìn)口處，受非均勻進(jìn)流影響，葉輪進(jìn)口從80°到140°半徑方向的壓力脈動(dòng)較大，其主要受葉輪葉頻控制.噴水推進(jìn)泵在額定航速下葉輪進(jìn)口處壓力脈動(dòng)最小，當(dāng)船舶自由航行時(shí)，其壓力脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系.王雪豹等[45]對(duì)設(shè)計(jì)工況下軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖進(jìn)行了對(duì)比分析，受葉頻的影響，首、次級(jí)葉輪輪緣間隙處的壓力脈動(dòng)不僅與葉輪的葉片數(shù)有關(guān)，還與噴水推進(jìn)泵葉輪數(shù)量有關(guān).在工作過(guò)程中，由于首、次級(jí)兩級(jí)葉輪反向旋轉(zhuǎn)，軸線方向上2級(jí)葉輪之間軸向間隙處壓力脈動(dòng)幅值達(dá)到最大.

本課題組[14]對(duì)比分析了均勻進(jìn)流與非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵壓力脈動(dòng)特性.受非均勻進(jìn)流影響，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅度有所增加，同時(shí)流道過(guò)流能力會(huì)減弱，泵內(nèi)回流現(xiàn)象將會(huì)加劇.這一現(xiàn)象與王雪豹等[33]的研究結(jié)論相一致，他們認(rèn)為非均勻進(jìn)流壓力脈動(dòng)特性與均勻進(jìn)流相比存在明顯差異.相較于均勻進(jìn)流下壓力隨時(shí)間的小幅度脈動(dòng)，非均勻進(jìn)流下脈動(dòng)幅值波動(dòng)極為顯著.

5 研究展望與發(fā)展趨勢(shì)

非均勻進(jìn)流是噴水推進(jìn)器運(yùn)行過(guò)程中的一種典型的現(xiàn)象，受非均勻進(jìn)流影響，噴水推進(jìn)泵運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題加劇，從而對(duì)混流泵的經(jīng)濟(jì)性和安全性都產(chǎn)生很大的影響，雖然學(xué)界對(duì)該問(wèn)題已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)非均勻進(jìn)流的研究還不夠完善.因此，需要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展更加深入的研究:

1) 在對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)流特性進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，為了更好地分析非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵內(nèi)部多尺度旋渦結(jié)構(gòu)和二次流，需要選擇更好的模型與之匹配，使得模擬更加接近真實(shí)情況.除此之外，對(duì)非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵的振動(dòng)及噪聲的研究還不夠充分，需要加強(qiáng)這方面的研究.

2) 對(duì)于噴水推進(jìn)泵內(nèi)非均勻進(jìn)流的研究目前是以模擬為主，受到客觀條件的限制，未能通過(guò)試驗(yàn)的方式對(duì)非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵性能及推力進(jìn)行測(cè)試，因此需要通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性.為了更好地模擬船舶的真實(shí)航行狀態(tài)，需要搭建噴水推進(jìn)泵試驗(yàn)臺(tái)，來(lái)獲得不同航速下噴水推進(jìn)泵的推力特性，更好地揭示非均勻進(jìn)流下噴水推進(jìn)泵內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律.

3) 對(duì)于穩(wěn)定巡航狀態(tài)下噴水推進(jìn)泵非均勻進(jìn)流的研究已有了一定進(jìn)展，未來(lái)可以針對(duì)機(jī)動(dòng)條件下的運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)展研究.由于噴水推進(jìn)泵在機(jī)動(dòng)條件下會(huì)處于部分負(fù)載工況，但由于缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，未能對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性做出真實(shí)模擬.未來(lái)可以通過(guò)基于機(jī)動(dòng)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步研究噴水推進(jìn)泵在機(jī)動(dòng)條件下的內(nèi)流特性.