喷水推进器进水流道流动性能的数值分析

吴 娜，王志东，吕红皊，凌 杰，付 佳，李 洋

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

船用喷水推进系统具有体积小、负重载能力强、防护性能好、操纵灵活、浅水效应好等优点，被广泛应用于现代各类高性能舰船［1］。喷水推进装置中的推进泵大多数使用导叶式混流泵和轴流泵，通过对推进装置中的进水流道、叶轮、导叶和喷口等参数的合理设计，可以极大地提高混流泵的运行稳定性。流体流经进水流道后约有7% ～9%的功率损失［2］，故在设计喷水推进器过程中选用相匹配的优良进水流道十分重要。

随着CFD 技术的发展，各种计算流体动力学商业软件在喷水推进器的设计与研究中得到了非常广泛的应用。丁江明等［3－4］利用Fluent 软件开展进水流道参数化设计方法研究，通过喷水推进器内部流场的模拟结果评估流道水动力性能;魏应三等［5］利用Fluent 软件对喷水推进器进水管道进行优化设计，提高了喷水推进器进水管道效率。由于来流速度、负压、船底边界层都会对进水流道的进口动量和动能产生影响［6］，对进水流道进行水动力分析时，控制体应包括船尾底部进水口周围区域的流场。刘承江等［7－8］对喷水推进器所需流场的控制体的大小进行研究，结果表明流场控制体体积、计算工况、转速都会对推进系统的效率等计算结果产生影响。Chen 等［9］对S 形流道进行数值模拟，发现流道中心线曲率和压力梯度会导致流道流场中二次流的出现，使得流道出流口处速度场及压力场不均匀。

本文利用CFD 软件Fluent，基于粘性RANS 方法数值模拟了高速混流泵进水流道的内部流场，分析了不同进水流道设计参数对流道性能的影响。

1 进水流道参数化设计

本文选用平进口进水流道，进水口形状采用能很好利用来流动能的椭圆形进水口和矩形进水口的综合体，如图1 所示，图中主要参数定义如下［3］:D为流道出流口的直径即推进泵进口直径;L 为流道的纵向总长;H 为流道出口中心线距离流道进口平面的垂直高度;L1为流道出口水平直管段长度;L2为流道弯管段和进水口与船体过渡段之间的直管上沿长度;L3为进水流道倾斜直管段下壁面长度;L4为唇部距离进水流道出流口水平距离;R1为流道弯管段中心圆弧半径;R2为流道唇部圆弧半径;R3为流道与船底过渡段上边缘圆弧半径即斜坡半径;α 为流道的倾斜角;d 为叶轮轴直径。

图1 喷水推进器进水流道中纵剖面几何参数图Fig.1 Parameters of longitudinal section plane of the inlet duct in marine waterjet

流道进水口形状对流道内流动性能影响较大，4种常用的进水口形状，如图2 所示。本文原始模型进水口形状采用综合形1。

图2 常见进水口形状Fig.2 Typical shapes of intake

图3 为利用上述方法生成的三维喷水推进器进水流道。

图3 进水流道三维模型Fig.3 3 －D configuration of inlet duct

2 进水流道计算区域及边界条件

图4 为喷水推进器进水流道数值计算区域及边界条件。其中船底水流控制体的长、宽、高分别是推进泵进口直径的20 倍、10 倍和8 倍。控制体来流面、两侧及底部设定为速度入口(velocity inlet)，控制体顶部为船底，设为固壁(wall)，控制体出流面设为压力出口(pressure outlet);进水流道管壁及驱动轴设置为固壁(wall)，进水流道出口设置为压力出口(pressure outlet)。本文根据推进泵的吸入真空度设置流道出口负压值(大约在0.6 倍大气压)。计算工况定为2 种:一是出流口为负压，约为Ht=－60 795 Pa;二是出流口压力Ht=0 Pa。

图4 进水流道计算区域及边界条件Fig.4 Calculation domain and boundary conditions of the inlet duct

3 进水流道流动性能分析

3.1 流道倾斜角对进水流道流场的影响

3.1.1 倾斜角设计方案

一般情况下，进水流道倾角越小流道弯管损失越小，但在其他参数不变的情况下，流道的纵向总长度增加，流道的沿程损失亦增加，因此在原有模型倾斜角的基础上增大或减小进水流道倾角都有可能得到最优倾斜角。计算工况共取9 种，倾斜角α=35°，32°，30°，28°，26°，25°，24°，22°，20°。通过分析进水流道出口的速度均匀度、流道效率、能量损失等，确定最佳流道倾斜角。

3.1.2 倾斜角对流道出口速度的影响

表1 为不同倾角进水流道出流口速度的数值计算结果，其中Ht为吸入真空度。可以看出，对于相同的流道倾角，由于负压的存在，出流口的流体克服重力被进水流道抽吸，具有比较高的速度。有负压情况下出口单位体积流体的能量减去没有负压情况下出口单位体积流体的能量认为是推进泵的吸入真空度对流经流道流体所做的有用功。

表1 不同倾角进水流道的出流口速度Tab.1 Outlet velocity of the inlet duct under different duct angles

3.1.3 流道倾角对流道效率的影响

进水流道对吸入真空度Ht的利用率η 即进水流道效率，是选择最优进水流道的重要参考依据之一。在其他条件相同的情况下，流体流经流道损失的能量越少，对泵吸入真空度的利用率越高，推进泵的出口速度越大，说明流道设计越优良。流道效率计算公式为

式中:Ht为泵提供的吸入真空度;H1为进水流道进口与出口的高度差;v2为计算模型在负压存在情况下流道出流口的速度;v1为计算模型在无负压情况下流道出流口处的速度;Hξ为流道能量水头损失。式中Ht和H1为定值，要使流道效率达到最高，则需达到最大值。

图5 给出了不同倾角进水流道的流道效率，其中Total 表示总流道效率，X －direction 表示只考虑X方向速度时的效率，根据已有文献的数值模拟结果可知，流道的倾角越大，圆弧弯管处的局部能量损失越大。已知流道的纵向长度随着流道倾角的增大而减小，流道的沿程损失必然降低。图中流道对泵吸入真空度的利用率η 随着进水流道倾角α 的增大而增加，总利用率最高达到94%左右，其中X 方向最大的有效利用率为93%左右，说明此时由于倾角增加而减少的沿程损失远大于局部能量增加值。当流道倾角大于32°左右时，随着倾角的增加，X 方向的有效利用率反而降低，此时由于倾角增加而减少的沿程损失开始小于局部能量的增加值。因此本文选取进水流道倾角为32°，流道效率η 达到最优值。

图5 不同倾角的进水流道效率Fig.5 Efficiency of the inlet duct under different inlet duct angles

3.1.4 流道倾角对加权平均角的影响

加权平均角是描述出流口速度的垂直度。出流口出流速度与出流截面间的夹角越接近90°，进水流道水力性能越优越。现引入加权平均角θ 的定义:

式中，uai为出口截面第i 个单元x 方向上的速度;uti为出口的合成速度。

图6 给出了流道倾斜角对加权平均角的影响，可以看出，进水流道的倾角α 对加权平均角θ 的影响很小，加权角平均角的波动范围在83°～86°之间，波动幅度不明显。当选取流道倾角为32°时，流道的加权平均角约为84.3°，具有较佳的流动性能。

图6 流道倾斜角对加权平均角的影响Fig.6 Effect of inlet duct angle to weighted average angle

3.1.5 进水流道倾角对流动不均匀系数的影响

引入参数不均匀系数ξ 来衡量出口速度的不均匀性，其定义为:

式中:Q 为出口横截面的体积流量;ua为出口横截面dAx 方向上的速度分量;U 为出口截面上的平均速度;ξ 为定量分析出口截面上的速度不均匀程度，其值越小流道出口截面上的速度分布越均匀。

图7 给出了倾角对流道不均匀系数的影响，可以看出，随着流道倾斜角α 的增大流道不均匀系数ξ 增大，在进水流道倾角区间为20° ～35°时，流道的不均匀系数ξ 在0.085 ～0.2 之间，船尾空间狭窄，在流道高度不变的前提下，流道的倾角越小，流道纵向的长度势必会增加，故倾角不能过小，当进水流道倾斜角取32°时，不均匀系数为0.18，具有较佳的流动性能。

图7 倾角对流道不均匀系数的影响Fig.7 Influence of inlet duct angle to the velocity unevenness coefficient

3.2 唇角对进水流道流场影响

3.2.1 唇角设计方案

进水口的唇部易发生回流现象，能量损失增大，唇角半径和唇角的形状对进水流道的水力性能影响较大，因此改进唇角，可以提高流道效率。设定2 种唇部形状方案:一种是圆弧;另一种是抛物线。计算工况共8 种，唇角半径R2=0 mm，1 mm，3 mm，10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm。

3.2.2 唇部对进水流道效率的影响

图8 给出了不同唇角半径的进水流道效率，其中，Total 表示总效率，X －Direction 只考虑X 方向速度的效率，1 表示圆弧形唇角，2 表示抛物线唇角。从图中可以看出，随着唇角半径的增大，进水流道效率η 降低;当唇角半径相同时，圆弧形唇角比抛物线形唇角的效率高。选取唇角为圆弧形，半径为3 mm，效率η 可以达到93%，具有较佳的流体性能。

图8 不同唇角半径的进水流道效率Fig.8 Efficiency of inlet duct under different lip radius

3.2.4 唇角对涡量的影响

唇角处的压力大，易产生漩涡，漩涡会降低进水流道的效率，且会对出流口流动的均匀程度产生不利影响，使得叶轮震动加剧，影响整个推进器的性能。图9 给出了唇角形状及半径对涡量的影响，可以看出:唇角越尖锐，即唇角半径越小，唇部的涡量值越大，流道的能量损失越大;在相同的唇角形状的情况下，随着唇角半径的增大最低中心涡量的位置向上移动，因为在唇部发生了流动分离现象，低压区下移，高压区下移，唇部的驻点位置向下移动。唇角半径取3 mm 时，圆弧形唇角优于抛物线形唇角。

图9 唇角对涡量的影响Fig.9 Effect of vorticity magnitude under different lips

3.3 斜坡半径对进水流道流场影响

3.3.1 斜坡设计方案

流道和船体过渡段的背部称为斜坡，连接着船体和进水流道倾斜直管段。为了能更好利用来流的动能，本文在保证进水流道长、宽、高等参数不变的情况下，计算工况共取7 种，斜坡半径R3=1 200 mm，1 100 mm，1 050 mm，1 000 mm，950 mm，900 mm，800 mm。

3.3.2 斜坡对进水流道效率的影响

表2 为斜坡半径相对应的坡角β 及倾斜直管段长度L2的值。

表2 斜坡半径和坡角Tab.2 Radius and angle of the ramp

图10 是在航速40 kn，不同斜坡半径下进水流道的效率。可以看出流道效率η 随着斜坡半径R3的增大先增加后减小，流道对泵吸入真空度的利用率存在最大值，其总效率约为94.2%，有效利用率约为93%，进水流道在斜坡半径区间为1 050 ～1 100 mm时，能量损失最小，进水流道的水力性能最佳。流道的斜坡半径为1 100 mm 时，虽然流道的总效率最高，但是其有效利用率反而降低，故选取斜坡半径为1 050mm，流道效率最优。

图10 不同斜坡半径下的流道的效率Fig.10 Efficient of inlet duct on different ramp radius

结合表2，在保证其他参数不变的前提下，随着斜坡半径的增加，坡角β 和倾斜直管段长度L2减小，喉部以下的体积增大，入口速度降低，故斜坡半径取1 050 mm。

3.3.3 斜坡半径对加权平均角的影响

图11 斜坡半径对加权平均角的影响Fig.11 Effect of ramp radius to weighted average angle

图11 给出了斜坡半径对加权平均角的影响，可以看出负压Hi=60 795 Pa 时，进水流道的斜坡半径对加权平均角的影响很小;在负压Ht=0 Pa 时，加权平均角随着流道的斜坡半径增加而增大。

结合斜坡半径对流道效率、加权平均角等的影响，本文最终取斜坡半径1 050 mm，流道性能达到最佳。

4 结 语

本文针对原始进水流道的参数，通过调整局部参数——流道倾斜角、唇角半径、唇角形状和斜坡半径，建立优选方案并进行数值模拟。通过对流道效率η，出流面加权平均角θ 和不均匀系数ξ 的计算与分析，得出以下结论:进水流道效率受流道纵向长度的影响很大，流道倾斜角越小，流道出流口速度越均匀，加权平均角越大，所以流道的倾斜角应适量减小;圆弧唇角的流体动力特性优于抛物线唇角，唇角应适量尖锐;当进水流道倾斜角取32°、唇角形状取圆弧、唇角半径取3 mm、斜坡半径取1 050 mm、其余参数与原始进水流道的整体参数相同时，进水流道的效率达到94.2%，优于原始进水流道80.4%的效率。

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