導(dǎo)葉對(duì)無軸泵噴推進(jìn)性能及葉片空化效應(yīng)的影響

摘 要：【目的】由于無軸泵噴推進(jìn)器在高轉(zhuǎn)速下葉片會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)，為減少空化效應(yīng)，需要對(duì)導(dǎo)流葉的安裝方式及旋向進(jìn)行研究?！痉椒ā客ㄟ^CFD軟件對(duì)不同導(dǎo)流葉安裝方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得無軸泵噴推進(jìn)器整體的推力與葉片空化情況，找到合適的安裝結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】在無導(dǎo)流葉的方案中，其推進(jìn)性能更好，但葉片上的空化面積也是最大的；在有導(dǎo)流葉的方案中，后置與旋轉(zhuǎn)葉片旋向相同的導(dǎo)流葉方案推進(jìn)效果最好，相對(duì)無導(dǎo)流葉方案空化面積減小14.7%?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為導(dǎo)流葉的安裝方式及減小空化效應(yīng)提供參考。

關(guān)鍵詞：無軸泵噴；導(dǎo)流葉；推力系數(shù)；空化效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TH122" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）14-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.011

The Impact of Guide Vanes on the Propulsion Performance and Blade Cavitation Effects of Shaftless Pump-Jet Propulsors

Abstract： [Purposes] Cavitation effects occur in the blades of shaftless pump-jet propulsors at high rotational speeds. To mitigate these effects， this study investigates the installation methods and rotational directions of guide vanes.[Methods] Numerical simulations using CFD software were conducted on various guide vane installation configurations to assess the overall thrust and blade cavitation characteristics of the shaftless pump-jet propulsor， aiming to identify the optimal installation structure.[Findings] In configurations without guide vanes， although the propulsion performance was better， the blade cavitation area was the largest. Among configurations with guide vanes， the setup with guide vanes placed behind the propulsor and rotating in the same direction as the blades achieved the best propulsion performance， reducing the cavitation area by 14.7% compared to the configuration without guide vanes. [Conclusions] The findings provide valuable insights for optimizing the installation methods of guide vanes and reducing cavitation effects.

Keywords： shaftless pump-jet; guide vanes; thrust coefficient; cavitation effects

0 引言

無軸泵是一種新型的泵噴推進(jìn)裝置，在同等工況下相較于傳統(tǒng)的推進(jìn)器噪聲更低、效率更高，且在水下可以適用多種工況，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是無軸設(shè)計(jì)，可避免水草纏繞。泵整體通過旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)流體作用，從而產(chǎn)生推力，主要應(yīng)用于小型靜音潛水艇和民用沖鋒艇的動(dòng)力部分。

近年來，無軸泵的應(yīng)用與相關(guān)研究日益增多，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)變得愈發(fā)重要。在葉片優(yōu)化方面，談明高等［1］研究了葉片數(shù)對(duì)無軸泵噴推進(jìn)器性能的影響。劉厚林等［2］研究了輪轂比對(duì)無軸泵噴推進(jìn)器性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪轂比為0.25時(shí)，推進(jìn)器的整體性能最佳。祝昊等［3］研究了在有導(dǎo)流葉的情況下，有無輪轂對(duì)推進(jìn)性能的影響，但缺少關(guān)于導(dǎo)流葉安裝位置及旋向?qū)Ρ脟娡七M(jìn)器影響的研究。藺永杰等［4］基于CFD方法研究了傳統(tǒng)有軸螺旋槳導(dǎo)流葉片，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的推進(jìn)器可節(jié)能7.96%。在葉片空化研究方面，李曉超等［5］提出了噴水推進(jìn)泵的空化及噪聲優(yōu)化措施；潘中永等［6］分析了泵噴推進(jìn)器在來流含氣條件下的空化特性，發(fā)現(xiàn)增加進(jìn)口含氣率可以提高設(shè)備的抗空化能力。

綜上所述，雖然泵噴推進(jìn)器的空化與推進(jìn)性能研究已有大量成果，但導(dǎo)流葉對(duì)無軸泵噴推進(jìn)性能及葉片空化效應(yīng)的影響研究較少。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件研究導(dǎo)流葉對(duì)泵噴推進(jìn)器葉片性能的影響，并通過設(shè)計(jì)優(yōu)化找出相關(guān)規(guī)律。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 三維建模及設(shè)計(jì)方案

本研究以七葉片的無軸泵噴推進(jìn)裝置為研究對(duì)象，該模型的進(jìn)口處和出口處均可安裝導(dǎo)流裝置，對(duì)導(dǎo)流裝置的選擇與安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

將與旋轉(zhuǎn)葉片旋向相同的導(dǎo)流葉命名為葉片1，與旋轉(zhuǎn)葉片旋向相反的導(dǎo)流葉命名為葉片2，根據(jù)導(dǎo)流葉相對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片的位置共設(shè)置9套方案，具體見表1。

質(zhì)量優(yōu)良的導(dǎo)流罩對(duì)推進(jìn)器推進(jìn)效率有促進(jìn)作用［7］，本研究應(yīng)用的導(dǎo)流罩類型選擇為類2415翼形的導(dǎo)流罩截面。

1.2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性檢驗(yàn)

為了最小化流場(chǎng)域尺寸對(duì)研究對(duì)象的影響［8］，流場(chǎng)域尺寸如圖2所示。

在泵的網(wǎng)格劃分過程中，本研究采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格共存的多面體網(wǎng)格劃分策略。與傳統(tǒng)的四面體或六面體網(wǎng)格相比，多面體網(wǎng)格具有諸多優(yōu)勢(shì)：首先，其能夠精確地刻畫出具有復(fù)雜幾何形狀和尖銳邊緣的物體；其次，這種網(wǎng)格類型通常具備更高的質(zhì)量，能夠避免生成扭曲、傾斜或者瘦長的單元，從而在處理邊界層流動(dòng)、網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜流場(chǎng)問題時(shí)展現(xiàn)出更高的靈活性和效率［9］。此外，多面體網(wǎng)格在保持同等尺寸的情況下，能夠以較少的網(wǎng)格數(shù)量實(shí)現(xiàn)較高的網(wǎng)格質(zhì)量。

針對(duì)葉片及其周邊區(qū)域，本研究進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格細(xì)化處理，以確保網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)超過0.2，同時(shí)兼顧計(jì)算的網(wǎng)格無關(guān)性，并防止網(wǎng)格數(shù)目過多導(dǎo)致的計(jì)算資源過度消耗［10］。本研究依據(jù)方案9，構(gòu)建了4種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型，并以3 000 rpm的葉片推力作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試（見表2）。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到146萬個(gè)以上時(shí)，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)推力的影響不再明顯。因此，為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，將大約146萬個(gè)的網(wǎng)格規(guī)模作為最佳選擇。

無軸泵各部件的葉片網(wǎng)格如圖3（a）所示，對(duì)于葉片以及葉片后方區(qū)域進(jìn)行局部加密如圖3（b）所示。

1.3 湍流模型與邊界條件

本研究采用[k-ω]SST 湍流模型，這是一種改進(jìn)型的[k-ω]湍流模型，結(jié)合了[k-ε]模型和[k-ω]模型的優(yōu)勢(shì)。該模型能夠準(zhǔn)確地描述壁面附近的流動(dòng)特性，并充分考慮了剪切應(yīng)力的傳遞，使得在復(fù)雜流動(dòng)情況下有更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。與其他復(fù)雜模型相比，此模型的計(jì)算成本相對(duì)較低［11］?？栈Ｐ瓦x擇Mixture多相流模型，其控制方程基本形式見式（1）。

在邊界條件設(shè)置方面，依據(jù)特定工況，采用了不可壓縮、定常計(jì)算方式，葉片轉(zhuǎn)速為900 rpm，固壁設(shè)置為絕熱、無滑移邊界條件［12］。

2 結(jié)果分析

2.1 導(dǎo)流葉對(duì)泵流場(chǎng)特性的影響

9種不同方案的無軸泵速度如圖4所示。其中每個(gè)圖片的右下角標(biāo)識(shí)代表著各自的方案類型。在無導(dǎo)流葉的方案中，可以觀察到無軸泵內(nèi)部的流體速度分布相對(duì)均勻。然而，當(dāng)引入導(dǎo)流葉的方案時(shí)，泵內(nèi)部及泵后側(cè)的流體速度出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)域。這種現(xiàn)象表明導(dǎo)流葉的存在可能會(huì)改變流體的流向和速度分布，進(jìn)而導(dǎo)致泵的揚(yáng)程降低。這影響了泵的整體推進(jìn)性能，使其出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

各方案的流線跡圖如圖5所示。在方案9中，觀察發(fā)現(xiàn)流體在通過導(dǎo)流罩后流出較為均勻，未出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，表明其推進(jìn)效果最佳。相比之下，方案3、5和7在導(dǎo)流葉與旋轉(zhuǎn)葉之間產(chǎn)生了顯著的渦流，這些渦流消耗了部分流體動(dòng)能，從而降低了泵的整體推進(jìn)效率。

推力系數(shù)是描述噴水推進(jìn)泵的一個(gè)無量綱系數(shù)，它直觀地展現(xiàn)了泵的推進(jìn)能力。泵的推力系數(shù)[KT]見式（2）。

式中：[T]為泵的推力大??；[ρ]表示流體密度；[n]為轉(zhuǎn)速；[D]為葉片直徑。

無軸泵各設(shè)計(jì)方案的整體推進(jìn)性能如圖6所示。無導(dǎo)流葉的方案9推力系數(shù)最高至0.725。而方案6在其旋轉(zhuǎn)葉片前后均配備了與旋向相反的導(dǎo)流葉，顯示出最低的推進(jìn)系數(shù)，僅為0.182。這一結(jié)果也得到了圖3中速度云圖的驗(yàn)證，從圖中可以觀察到該方案的泵后方高速流體區(qū)域較小，揚(yáng)程也相對(duì)較短。

在有導(dǎo)流葉的設(shè)計(jì)方案中，將導(dǎo)流葉放置在旋轉(zhuǎn)葉片后方，并且其旋向與旋轉(zhuǎn)葉片一致，能顯著提升泵的推進(jìn)性能。對(duì)比同一位置，與旋轉(zhuǎn)葉片旋向相反的導(dǎo)流葉，其效果較差。這主要是因?yàn)椋黧w在被旋轉(zhuǎn)葉片推向后方的過程中，其速度方向與旋轉(zhuǎn)葉片的旋向相同。因此，與旋轉(zhuǎn)葉片旋向一致的導(dǎo)流葉，能更有效地引導(dǎo)流體順暢流出無軸泵，從而優(yōu)化推進(jìn)性能。

2.2 導(dǎo)流葉對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片空化效應(yīng)的影響

在相同轉(zhuǎn)速條件下，各方案旋轉(zhuǎn)至葉片表面空化效應(yīng)如圖7所示。其中方案2、方案5和方案7的旋轉(zhuǎn)葉片未出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而其他方案的葉片表面均出現(xiàn)了不同程度的空泡效應(yīng)。這些空泡效應(yīng)主要集中在葉片吸力面遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的位置，這是由于該區(qū)域的葉片表面壓力低于液體的飽和蒸氣壓，從而導(dǎo)致液體發(fā)生汽化現(xiàn)象。

各方案空泡效應(yīng)比例如圖8所示。由圖8可知，在沒有導(dǎo)流葉的方案中，葉片的空泡面積最大，大約占據(jù)了葉片總體面積的4.35%。然而在采用導(dǎo)流葉的設(shè)計(jì)方案中，方案4的空泡面積最大，相較于方案9，其空泡面積的比例降低了約9.1%。

3 結(jié)論

本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，通過對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比，研究了導(dǎo)流葉的類型與安裝方式對(duì)無軸泵噴推進(jìn)器整體推進(jìn)性能和旋轉(zhuǎn)葉片表面空泡效應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下。

①對(duì)于泵噴推進(jìn)器的推進(jìn)性能而言，無導(dǎo)流葉方案的推力系數(shù)最大；在有導(dǎo)流葉的方案中，位于旋轉(zhuǎn)葉片后方且與其旋向相同的導(dǎo)流葉方案的推力系數(shù)最高，但比無導(dǎo)流葉方案低約9.1%。

②就旋轉(zhuǎn)葉片表面空泡效應(yīng)而言，無導(dǎo)流葉方案的空泡面積最大，而有導(dǎo)流葉方案的空泡面積則有所減少，某些方案甚至顯著縮小了空泡面積。

③在設(shè)計(jì)過程中，可考慮在旋轉(zhuǎn)葉片后方安裝與其旋向相同的導(dǎo)流葉，可有效減少空泡效應(yīng)的產(chǎn)生。

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