基于CFD的無軸噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能分析

杜友威，袁利國(guó)，蔡佑林，石 曉

(1. 青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 青島 266427；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

噴水推進(jìn)器是一種新型的特種船艇推進(jìn)裝置，具有效率高、工作平穩(wěn)以及附體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，在滑行艇、穿浪艇、水翼艇、氣墊船等中高速船艇上得到廣泛應(yīng)用。噴水推進(jìn)器工作時(shí)，進(jìn)水流道造成的功率損失占總功率的7%～9%，船體形狀對(duì)比噴水推進(jìn)器的功率影響可達(dá)20%以上，該影響作用主要發(fā)生于進(jìn)水流道的進(jìn)口處。

針對(duì)噴水推進(jìn)器的研究主要集中在進(jìn)水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)、泵的設(shè)計(jì)選型等方面，圍繞進(jìn)水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從傾斜角變化、唇部形狀、進(jìn)速比與噴速比、船底邊界層影響等多方面進(jìn)行了深入研究。圍繞泵的設(shè)計(jì)選型，國(guó)內(nèi)海軍工程大學(xué)王永生團(tuán)隊(duì)以及江蘇大學(xué)潘中永團(tuán)隊(duì)等從定子和轉(zhuǎn)子的前后關(guān)系、噴速比、葉輪轉(zhuǎn)向等多個(gè)方面對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部水動(dòng)力性能和推進(jìn)特性等進(jìn)行研究。

常見的噴水推進(jìn)器均屬于有軸噴水推進(jìn)器，由于傳動(dòng)軸的遮擋，增加葉輪處流體的脈動(dòng)，降低推進(jìn)器效率，且易產(chǎn)生振動(dòng)，影響推進(jìn)器的壽命。國(guó)內(nèi)關(guān)于無軸噴水推進(jìn)器研究較少，劉瑞華等分別以SDPM-450型軸流式噴水推進(jìn)泵、某小艇無軸泵噴推進(jìn)器為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)和輻射噪聲相關(guān)分析。

噴水推進(jìn)船在設(shè)計(jì)航速范圍內(nèi)具有顯著的縱傾和升沉變化，會(huì)導(dǎo)致噴水推進(jìn)器進(jìn)口處吃水深度和流道傾斜角的改變，影響推進(jìn)器內(nèi)部的水動(dòng)力性能。因此，對(duì)計(jì)及航態(tài)無軸噴水推進(jìn)器的研究顯得尤為重要。本文借助CFD軟件，從彎道出流均勻度、流動(dòng)分離情況、壓力分布情況以及功率轉(zhuǎn)化率等4個(gè)方面，對(duì)比無軸和有軸2種噴水推進(jìn)器的進(jìn)水流道水動(dòng)力學(xué)性能的差異，并進(jìn)一步改變無軸噴水推進(jìn)器不同縱傾角進(jìn)行對(duì)比分析。

1 噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能分析

1.1 噴水推進(jìn)器幾何形狀及主尺度參數(shù)

用噴水推進(jìn)器模型參考KaMeWa公司生產(chǎn)的71SⅡ型噴水推進(jìn)器，簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行等比例縮小以便于后期更好的進(jìn)行模型加工和試驗(yàn)測(cè)量，且該型號(hào)噴水推進(jìn)器在較大范圍內(nèi)CFD預(yù)報(bào)的結(jié)果和廠商提供的數(shù)據(jù)吻合較好，證明用CFD進(jìn)行噴水推進(jìn)器的水動(dòng)力性能分析可行。

通過對(duì)比分析并參考文獻(xiàn)[15]，確定船底流場(chǎng)區(qū)域控制體長(zhǎng)度、寬度和深度分別為噴水推進(jìn)泵葉輪進(jìn)口處直徑的30倍、10倍和8倍。噴嘴區(qū)域、進(jìn)水流道及船底區(qū)域流場(chǎng)采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，流道進(jìn)口采用橢圓形進(jìn)口，葉輪區(qū)域和導(dǎo)葉區(qū)域流場(chǎng)采用Bladegen軟件進(jìn)行建模，其中葉輪葉片數(shù)為5 ，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7（見圖1），噴水推進(jìn)器的主要尺寸參數(shù)如表1所示。為了更加清晰地表達(dá)流道進(jìn)口到噴嘴出口間的內(nèi)部流場(chǎng)，采用隱藏了船底區(qū)域流場(chǎng)的三維模型剖切視圖（見圖2）。

1.2 CFD建模計(jì)算與驗(yàn)證

1.2.1 邊界條件及計(jì)算域設(shè)定

噴水推進(jìn)器在船舶直航工況下，流場(chǎng)控制體的邊界條件（見圖3）設(shè)置如下：流場(chǎng)上游來流面和底部面設(shè)為速度入口，兩側(cè)壁設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，船底流場(chǎng)區(qū)域下游出口面設(shè)為開放邊界，噴水推進(jìn)器噴嘴出口面設(shè)為壓力出口，出口壓力設(shè)為環(huán)境壓力，所有固壁面設(shè)為無滑移壁面。另外，葉輪區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，葉輪轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，導(dǎo)葉、噴嘴和其他區(qū)域?yàn)殪o止域，采用SST-模型模擬噴水推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)。根據(jù)所研究的航行狀態(tài)設(shè)定水流速度v=5 m/s?？紤]船底邊界層的影響，進(jìn)流速度采用Wieghardt公式進(jìn)行計(jì)算：

圖1 葉輪和導(dǎo)葉的幾何形狀Fig. 1 Geometry of impeller and guide vanes

表1 噴水推進(jìn)器主尺度參數(shù)Tab. 1 Main scale parameters of waterjet propeller

圖2 部分流場(chǎng)的三維模型剖切視圖Fig. 2 Cutaway view of 3D model of partial flow field

圖3 流場(chǎng)控制域及邊界條件定義Fig. 3 Definition of flow field control domain and boundary conditions

式中：為指數(shù)，一般為9；δ為邊界層厚度，計(jì)算公式為：

式中，為進(jìn)口雷諾數(shù)。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

將整個(gè)流場(chǎng)分為4個(gè)計(jì)算區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中進(jìn)水流道和船底區(qū)域和噴嘴區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉輪和導(dǎo)葉部分均采用正交性較好的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中葉輪部分采用J形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉部分采用H形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，葉輪和導(dǎo)葉葉片周圍均采用O形網(wǎng)格，由于在噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道內(nèi)部以及進(jìn)水口附近的流場(chǎng)速度梯度變化較大，因此分別對(duì)船底上表面、流道壁面以及噴嘴壁面定義邊界層以進(jìn)行加密處理，計(jì)算壁面=[80，110]。

經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)（見圖4），發(fā)現(xiàn)當(dāng)總體網(wǎng)格數(shù)量在435萬以上時(shí)，在葉輪轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，縱傾角為0°，航速為5 m/s的條件下，噴口出口流量與扭矩變化基本趨于穩(wěn)定?？紤]到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，最終確定網(wǎng)格數(shù)為4 382 319。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性分析Fig. 4 Grid independence analysis

1.3 無軸噴水推進(jìn)器水動(dòng)力性能對(duì)比分析

選取相同尺寸的有軸噴水推進(jìn)器，從彎道出流均勻度、流動(dòng)分離情況、壓力分布情況以及功率轉(zhuǎn)化率等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3.1 彎道出流均勻度

進(jìn)水流道的出口連接噴水推進(jìn)泵的進(jìn)口，不均勻的速度分布會(huì)引起噴水推進(jìn)泵負(fù)載脈動(dòng)，振動(dòng)噪聲增大，空化現(xiàn)象加劇。因此流道出口的均勻程度直接影響噴水推進(jìn)泵的效率。為了定量分析不均勻程度的大小，引入不均勻度，不均勻度系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

ζ=0時(shí)，所有位置速度大小方向都一致，均勻度最高。

對(duì)比彎道出口有軸、無軸噴水推進(jìn)器的不均勻度分別為0.095和0.116，發(fā)現(xiàn)后者較前者高出22.1%。進(jìn)一步比較噴嘴出口處截面的不均勻程度，有軸、無軸噴水推進(jìn)器的速度不均勻度分別為0.236和0.185，后者噴嘴出口處出流更加均勻，分析原因?yàn)榻?jīng)過葉輪后，軸不會(huì)直接對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生影響，在相同外形尺寸情況下，軸會(huì)增加葉輪之前的壓力梯度，從而影響噴口的流量，使得在無軸情況下，噴口更加順暢，均勻度更高。

1.3.2 流動(dòng)分離情況

流道的設(shè)計(jì)要盡量地減小流動(dòng)分離的程度，流動(dòng)分離會(huì)使得流動(dòng)損失增加，效率下降。通過觀察流道中縱剖面的速度矢量分布情況（見圖5），在唇部?jī)?nèi)側(cè)均發(fā)生明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有軸噴水推進(jìn)器在軸線周圍發(fā)生明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象，且速度變化梯度在該區(qū)域明顯增大。

圖5 噴水推進(jìn)器速度矢量對(duì)比Fig. 5 Comparison of velocity vector of waterjet

在中縱剖面內(nèi)，從流道出口到流道進(jìn)口的下表面和上表面分別等距選取21個(gè)和34個(gè)觀察點(diǎn)（見圖6），讀取并對(duì)比有軸和無軸噴水推進(jìn)器所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從下表面監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)來看，2種噴水推進(jìn)器的流速變化趨勢(shì)基本一致，在流道進(jìn)口（21號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）附近，由于流道的卷吸方向和船底外部流場(chǎng)的流動(dòng)方向相反，導(dǎo)致該處流速較低，隨后在唇部（20號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）流速急劇增大。除流道出口附近外，無軸噴水推進(jìn)器的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均高于有軸噴水推進(jìn)器，流道出口附近推測(cè)是由于軸的存在，過流面積減小，導(dǎo)致有軸噴水推進(jìn)器在流量不變情況下流速增加。

圖6 總縱剖面上下表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig. 6 Monitoring points on upper and lower surfaces of longitudinal profile

再對(duì)比上表面監(jiān)測(cè)到的流速數(shù)據(jù)（見圖7），無軸噴水推進(jìn)器的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均高于有軸噴水推進(jìn)器，尤其是在15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)到25號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間，主要原因是由于軸的影響，導(dǎo)致有軸噴水推進(jìn)器在軸線處產(chǎn)生繞流，影響周圍流體的正常流動(dòng)，在軸線上緣處（17號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）流速影響達(dá)到最大。

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速對(duì)比Fig. 7 Comparison of velocity at monitoring points

1.3.3 壓力分布情況

上下表面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力如圖8所示。對(duì)比上下2個(gè)推進(jìn)器表面壓力，可以明顯看出無軸噴水推進(jìn)器的流道進(jìn)口壓力低于有軸噴水推進(jìn)器，而流道出口處，無軸噴水推進(jìn)器的壓力明顯高于有軸噴水推進(jìn)器。

圖8 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比Fig. 8 Pressure comparison at monitoring points

進(jìn)一步對(duì)比2種噴水推進(jìn)器在流道進(jìn)出口處的平均壓力（見表2），明顯無軸噴水推進(jìn)器的流道進(jìn)出口壓力差更小，表明無軸噴水推進(jìn)器的流動(dòng)損失更小，且無軸噴水推進(jìn)器的進(jìn)口壓力更低，在相同尺寸和環(huán)境壓力的條件下，無軸噴水推進(jìn)器的流量將更大。

表2 輸入輸出參數(shù)對(duì)比Tab. 2 Comparison of input and output parameters

1.3.4 功率轉(zhuǎn)化率

功率轉(zhuǎn)化率主要體現(xiàn)在噴水推進(jìn)器是否能通過較低的功率輸入獲得較大的功率輸出，如流量和速度輸出。在相同轉(zhuǎn)速的條件下，功率輸入的大小主要通過葉輪轉(zhuǎn)矩大小來體現(xiàn)，而功率輸出大小可以通過噴嘴出口的速度和流量來體現(xiàn)。

對(duì)比表2中2組參數(shù)可得，有軸、無軸噴水推進(jìn)器的噴嘴出口流量，后者比前者高出18.95%；有軸、無軸噴水推進(jìn)器的噴嘴出口軸向平均流速（面積加權(quán)），后者比前者高出18.83%。進(jìn)一步對(duì)比葉輪功率輸出，有軸、無軸噴水推進(jìn)器的葉輪轉(zhuǎn)矩，前者反而比后者高出6.9%，可見無軸噴水推進(jìn)器的功率轉(zhuǎn)化率明顯高于有軸噴水推進(jìn)器。

1.4 縱傾對(duì)無軸噴水推進(jìn)器性能的影響分析

航行狀態(tài)的2個(gè)重要參數(shù)為吃水和縱傾，主要由航速和壓載情況決定，其中吃水主要影響進(jìn)口處的壓力，對(duì)流道流動(dòng)影響較小，本文暫不考慮吃水變化的影響，主要討論縱傾（考慮船舶航態(tài)主要為尾傾，尾傾所對(duì)應(yīng)的縱傾角為正）變化對(duì)無軸噴水推進(jìn)器流道的影響，從2°～30°每隔2°進(jìn)行一次計(jì)算，獲得不同縱傾角條件下噴口流量和葉輪轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著縱傾角的增加，監(jiān)測(cè)到的葉輪轉(zhuǎn)矩越來越小，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，說明功率消耗更小。同時(shí)隨著縱傾角的增加，噴口流量逐漸增加，主要是由于隨著縱傾角的增加，流道進(jìn)口截面在水流垂直方向的投影面積增加，水流流入流道更加順暢。但是伴隨著噴口出流在水平方向上的分量也越來越小，能提供向前的沖量也會(huì)減小。通過計(jì)算獲得噴口流量的水平分量，發(fā)現(xiàn)隨著縱傾角的增加，噴口流量水平分量先增加后減小，在縱傾角為20°時(shí)達(dá)到峰值。

圖9 流量和轉(zhuǎn)矩隨縱傾角的變化Fig. 9 Change of flow and torque with trim angle

通過圖10可發(fā)現(xiàn)縱傾為20°時(shí)，流道流速更高也更加流暢，在唇部流動(dòng)分離現(xiàn)象更小，流動(dòng)損失更小，說明縱傾為20°時(shí)流道水動(dòng)力性能更加優(yōu)越。

2 結(jié) 語

通過以上對(duì)無軸和有軸噴水推進(jìn)器的對(duì)比，結(jié)合縱傾角變化對(duì)于流道影響分析，可得出以下結(jié)論：

1）從彎道出流均勻度、流動(dòng)分離情況、壓力分布情況以及功率轉(zhuǎn)化率等方面，對(duì)比分析無軸噴水推進(jìn)器和有軸噴水推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，結(jié)果顯示。無軸噴水推進(jìn)器具有更小的流動(dòng)分離，以及更高的功率轉(zhuǎn)化率。

圖10 進(jìn)口流道速度矢量對(duì)比Fig. 10 Comparison of velocity vector at inflow channel

2）隨著船體縱傾角的增加，噴口的流量也隨之增加，葉輪轉(zhuǎn)矩隨之減小，噴口流量的水平分量先增加后減小，在縱傾為20°時(shí)達(dá)到最大，且此時(shí)唇部流動(dòng)分離更小，進(jìn)口流道流動(dòng)損失更低。

3）由于船舶的航態(tài)航速、壓載、風(fēng)向等多種因素影響，本文主要考慮壓載因素，因此在研究航態(tài)時(shí)，未充分考慮到航速、風(fēng)向等因素變化對(duì)于船舶航行狀態(tài)的影響，在以后的研究中將充分考慮多種因素影響下的航態(tài)變化。