常書平，王永生，靳栓寶

(海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033)

噴水推進是利用推進泵噴出水流的反作用力推動船舶前進，它具有常規(guī)螺旋槳所不及的眾多優(yōu)點［1-2］.對噴水推進泵有一些特殊要求，如體積小、轉(zhuǎn)速高、汽蝕性能好、流量系數(shù)大、揚程系數(shù)高等，所以噴水推進泵的設(shè)計難度較一般陸用水泵要大得多［3］.傳統(tǒng)的依靠反復試制、試驗來研制新型水泵的方法既耗資大又周期長，不易滿足噴水推進泵的設(shè)計要求.將計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算流體動力學(CFD)技術(shù)結(jié)合起來，可建立一套軸流式噴水推進泵的參數(shù)化設(shè)計和水力性能檢驗平臺.它采用CAD技術(shù)計算并修正各過流部件的形狀參數(shù)，用CFD技術(shù)分析其內(nèi)部流場來快速判斷CAD設(shè)計質(zhì)量，并為進一步優(yōu)化設(shè)計提供合理依據(jù)，它的應用有益于高質(zhì)高效地完成設(shè)計任務(wù)［4］.

航速不是太高的艦船和現(xiàn)代兩棲車輛大多采用了軸流式噴水推進［5］，本文將建立一套軸流式噴水推進泵的CAD-CFD平臺.首先，依托Matlab-Simulink實現(xiàn)了軸流式噴水推進泵參數(shù)化設(shè)計過程，直接得出了葉片流面點的空間坐標;然后，根據(jù)計算所得的設(shè)計參數(shù)和坐標值在SolidWorks軟件中進行三維幾何建模;再采用CFD技術(shù)，經(jīng)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、數(shù)值計算和后處理等步驟對所設(shè)計軸流式噴水推進泵的揚程、效率等宏觀外特性及具體流場流態(tài)進行綜合評估.文中通過一實例詳細闡述了各個環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方法，結(jié)果表明:該平臺便捷實用、可高速優(yōu)質(zhì)地完成軸流式噴水推進泵水力設(shè)計.

1 軸流式噴水推進泵CAD

基于圓柱層無關(guān)性假設(shè)和葉柵理論［6-7］，按照升力法進行軸流泵葉輪設(shè)計，按照流線法設(shè)計導葉，具體流程如圖1和圖2.

圖1 葉輪設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of the rotor design

圖2 導葉設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of the stator design

該軸流式噴水推進泵CAD具有以下特點:

1)葉輪設(shè)計時，輪轂比dh/D、葉輪外徑D、葉柵稠密度l/t、各截面翼型和旋轉(zhuǎn)中心位置等參數(shù)的組合好壞直接影響泵的效率及空化性能［4］.在該葉輪CAD平臺中，這些參數(shù)既能根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗曲線自動計算得出，設(shè)計者也可根據(jù)個人經(jīng)驗給定.

2)葉輪設(shè)計采用了變環(huán)量設(shè)計思想［8-9］.設(shè)計者可設(shè)定環(huán)量從葉根到葉頂為線性分布或拋物線分布，通過修改直線的斜率或拋物線的焦點等系數(shù)具體控制.這樣可避免等環(huán)量時造成的葉根攻角大和整個葉片扭曲嚴重等問題.

3)建立了翼型數(shù)據(jù)庫，含NACA4406-4415、NACA16、NACA66和圓弧等翼型的型值、升阻力系數(shù)曲線等，可在設(shè)計中調(diào)用.

4)實現(xiàn)了對翼型坐標的平移、旋轉(zhuǎn)和流面纏繞等操作，直接得出葉片流面的三維空間坐標，便于直接進行葉片三維幾何建模和檢查葉片扭曲度.

5)實現(xiàn)了軸流式噴水推進泵三維造型的參數(shù)化控制.根據(jù)用戶的調(diào)整不斷修改設(shè)計參數(shù)，噴水推進泵的三維幾何造型跟著發(fā)生相應的變化，便于進行多方案比較尋優(yōu).

2 軸流式噴水推進泵設(shè)計實例

按照020Q84噴水推進泵的設(shè)計要求進行設(shè)計，具體為［9］:流量 Q=0.152 m3/s，揚程 H=2.61 m，轉(zhuǎn)速 n=1 450 r/min.

取泵直徑D=0.2 m，葉輪葉片數(shù)z=6，導葉片數(shù)zd=7，主要參數(shù)結(jié)果如表1和表2.葉輪和導葉之間距離為0.05D，葉輪和導葉葉片都選用 NACA16α=0.8翼型.根據(jù)CAD程序計算得出的各流面翼型空間坐標，依托SolidWorks宏命令直接進行軸流泵三維幾何造型和葉片形狀檢查，見圖3和圖4.

表1 葉輪主要參數(shù)計算表Table 1 Calculated results of rotor parameters

表2 導葉主要參數(shù)計算表Table 2 Calculated results of stator parameters

圖3 葉輪葉片流面線Fig.3 Sectional line of the rotor blade

圖4 噴泵三維造型Fig.4 3D modeling of the waterjet pump

3 軸流式噴水推進泵CFD

參照文獻［10］確定該軸流式噴水推進泵CFD計算域如圖5.

圖5 計算域和邊界設(shè)置Fig.5 Calculated region and boundary conditions

圖6 軸流泵網(wǎng)格Fig.6 Mesh of waterjet axial-flow pump

各部件均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，葉輪采用J型拓撲結(jié)構(gòu)，導葉體采用H型拓撲結(jié)構(gòu).為較真實模擬軸流泵內(nèi)部流動，對各固體壁面進行了網(wǎng)格加密處理，葉片周圍也用O型網(wǎng)格進行了加密，葉頂間隙采用獨立的10層H型網(wǎng)格嵌入到周圍的O型網(wǎng)格之中.各部件網(wǎng)格如圖6所示.在劃分網(wǎng)格時還考慮了數(shù)值模擬精度對網(wǎng)格數(shù)量的依賴性，最終確定的網(wǎng)格方案見表3.

表3 軸流式噴水推進泵各部件網(wǎng)格數(shù)量Table 3 Mesh number of each part of waterjet axial-flow pump

采用工程中應用最廣泛的雷諾時均方法求解軸流式噴水推進泵內(nèi)復雜的粘性不可壓縮流場，流動控制方程為［11］:

式中:fi為體積力，包括推進泵旋轉(zhuǎn)過程中流體的科氏力和離心力;p為作用在流體上的壓力;ρ為海水密度;μ為海水的分子粘性系數(shù);μt為湍流動力粘性系數(shù).

選擇SST剪切應力輸運模式來對湍流進行模擬，即在邊界層邊緣和自由剪切層采用k-ε模式，而在近壁面區(qū)域(y+＜2.5)使用k-ω模型中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過混合函數(shù)來過渡［12］.已經(jīng)證明該模式在湍流粘性底層比k-ε具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性，并且對于較緩的逆壓梯度流動，該模式在對數(shù)律層能較好地模擬邊界層的流動特性.

湍動能方程:

湍流耗散率方程:

基于SIMPLE算法，應用有限體積法將控制方程和邊界條件做相應的離散，采用全隱式耦合求解技術(shù)同時求解動量方程和連續(xù)方程.采用MFR［13］方法對整個系統(tǒng)進行計算.葉輪流場采用旋轉(zhuǎn)坐標系計算，導葉體、進流段和出流段靜止域流場采用固定坐標系計算，各交界面兩側(cè)的絕對速度近似認為是相等的，通過周向平均后進行數(shù)據(jù)傳遞.計算域的進口與出口分別采用流量進口和靜壓出口邊界條件，環(huán)境壓力為101 325 Pa.計算時對揚程H和功率P變化進行動態(tài)監(jiān)控，確保計算結(jié)果可信.

4 軸流式噴水推進泵水力性能分析

4.1 宏觀外特性

CFD計算得到設(shè)計泵揚程和效率特性曲線分別如圖 7、圖 8所示，可得:設(shè)計點泵揚程 H=2.76 m/s，達到了設(shè)計要求，且在較寬流量范圍內(nèi)具有較高的效率，驗證了設(shè)計的成功性和合理性.低流量工況的揚程和效率都明顯高于020Q84噴水推進泵，高流量工況的效率低于020Q84試驗數(shù)據(jù).

圖7 揚程－流量曲線Fig.7 Performance curve of flow －h(huán)ead

圖8 效率-流量曲線Fig.8 Performance curves of flow-efficiency

4.2 流態(tài)分析

圖9是軸流式噴水推進泵內(nèi)部流場特性.(a)圖中流體經(jīng)葉輪做功加速和導葉整流后高速噴出，解釋了噴水推進的工作原理.流體進入葉輪時，吸力面進水邊附近一低壓窄帶易發(fā)生汽蝕;(d)圖所示是葉輪葉片不同葉高(即相對半徑)位置處靜壓隨各剖面弦線的分布，橫坐標x/c表示取壓點位置距導邊距離x與弦長c的比值.由壓力分布的過渡均勻性可知，葉片設(shè)計是合理的.沿葉輪徑向壓力面與吸力面壓差逐漸增大，做功能力逐漸增強，這正是變環(huán)量設(shè)計應用的結(jié)果.

圖9 泵內(nèi)流場分布Fig.9 Interior flow field of waterjet axial-flow pump

4.3 設(shè)計工作的進一步改進

由圖10得導葉后截面出流存在較明顯的速度周向旋轉(zhuǎn)分量，這部分能量是不利于產(chǎn)生推力的.導葉凹面也存在流動分離和渦旋現(xiàn)象.應該調(diào)整導葉的進口角以更好的適應來流方向，并通過修改導葉進口與出口之間葉片安放角的過渡規(guī)律來改善整流效果，提高泵整體效率.

增大葉輪葉片的進口安放角度以減小葉片頭部撞擊損失、有效提高效率，同時改善葉片吸力面進水邊附近的壓力分布、優(yōu)化抗汽蝕性能.

泵的設(shè)計工作點處于效率峰值點右側(cè)工作，雖然效率較高，但該區(qū)域效率下降較左側(cè)明顯，這對泵長期運行時的穩(wěn)定性是不利的.

圖10 可進一步優(yōu)化的流場分布Fig.10 Flow field needing further improvement

5 結(jié)束語

基于軸流泵的基本設(shè)計理論，依托Matlab-Simulink、SolidWorks軟件建立了軸流式噴水推進泵CAD設(shè)計平臺，實現(xiàn)了葉輪和導葉的水力設(shè)計程序化和三維造型參數(shù)化.依托CFD技術(shù)實現(xiàn)對軸流式噴水推進泵內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬和性能預測，通過反復的修改優(yōu)化得到具有良好性能的軸流式噴水推進泵.該平臺的應用，可以減少軸流式噴水推進泵設(shè)計中的試制次數(shù)，有效降低研發(fā)費用和縮短研制周期，對加速噴水推進泵的設(shè)計開發(fā)和促進噴水推進在國內(nèi)艦船上的應用有積極意義.

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