基于CFD的某型噴水推進(jìn)器性能研究

吳 昊，耿巍麟，顧 冰

(湖北三江船艇科技有限公司，湖北孝感432100)

基于CFD的某型噴水推進(jìn)器性能研究

吳 昊，耿巍麟，顧 冰

(湖北三江船艇科技有限公司，湖北孝感432100)

采用CFD方法對某型軸流噴水推進(jìn)器的基本性能進(jìn)行測算。該型噴水推進(jìn)器原用于一款小型高速摩托艇,具有工作轉(zhuǎn)數(shù)高、推力大的特點(diǎn)。運(yùn)用fluent軟件以及RNG k-ε湍流模型、SIMPLEC算法、多重參考坐標(biāo)系(MRF)對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,研究噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)矩、功率等性能參數(shù),得到流場的速度和壓力分布,為優(yōu)化推進(jìn)器的性能提供依據(jù)。

噴水推進(jìn)器;CFD;高速;fluent

噴水推進(jìn)器從船底由進(jìn)水口通過進(jìn)水流道吸水,再經(jīng)過噴泵做功通過噴口向船后高速噴出,利用噴出水流的反作用來推動(dòng)船舶前進(jìn)［1］。噴水推進(jìn)器具有優(yōu)越的水力性能及結(jié)構(gòu)特性優(yōu)勢(機(jī)動(dòng)性好、操縱靈活及高航速時(shí)效率高,等),其使用及需求范圍越來越廣泛,發(fā)展勢頭迅猛。近年來數(shù)值模擬方法越來越多地應(yīng)用于噴水推進(jìn)器部件與流場分析評估與性能預(yù)報(bào)等研究中［2］。

本文研究的噴水推進(jìn)器用于某高速艇。該推進(jìn)器轉(zhuǎn)速高(7 500 r/mim)、推力大(快艇時(shí)速可達(dá)95 km/h),但其主要性能(如流量、揚(yáng)程、效率等)未知,相關(guān)資料也非常有限。為了能夠進(jìn)一步提高該噴水推進(jìn)器的性能,必須對裸泵進(jìn)行研究,以獲得其主要性能參數(shù),這也是后續(xù)進(jìn)行船加泵性能分析的基礎(chǔ)。隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展和商用CFD軟件的使用越來越普及。CFD技術(shù)在噴水推進(jìn)器中的應(yīng)用已有很多相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［3-4］。文中即利用fluent軟件對該泵的性能進(jìn)行研究。

1 理論基礎(chǔ)

噴水推進(jìn)器內(nèi)部的流動(dòng)為不可壓流動(dòng),滿足不可壓三維連續(xù)方程［5］

動(dòng)量方程為

式中:Fi——葉輪施加的體積力;

μ1——紊流動(dòng)力粘性系數(shù)。

噴水推進(jìn)器的相關(guān)參數(shù)及各參數(shù)基本計(jì)算關(guān)系式如下［6］。

泵的輸入功率為

式中:M——葉輪轉(zhuǎn)矩;

ω——葉輪的角速度。

因此整個(gè)泵的效率為

2 CFD模型及網(wǎng)格

2.1 幾何建模

該泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 噴泵基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

幾何模型見圖1。槳泵的各部件嚴(yán)格按照各零部件之間的相對位置關(guān)系將組裝起來,并對一些形狀復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)簡化和光順處理。為保證進(jìn)流條件為均勻來流,在噴水推進(jìn)器的進(jìn)口添加了直徑與外殼相同長度是3倍直徑的直流進(jìn)口段［7］。

圖1 噴泵幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為保證網(wǎng)格質(zhì)量,將噴水推進(jìn)器劃分為4個(gè)區(qū)域,即進(jìn)口段、葉輪段、導(dǎo)葉體段和噴嘴段。使用ANSYS軟件中的MESHING模塊劃分網(wǎng)格。進(jìn)口段形狀簡單,故采用六面體網(wǎng)格;在葉輪和導(dǎo)葉體段,由于葉片和導(dǎo)葉扭曲,形狀復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格,并在葉輪頂隙處進(jìn)行加密;噴口段使用混合網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格最大尺度為5 mm,最小為0.2 mm,網(wǎng)格總數(shù)量約為1 100萬。由于需要使用MRF模型,將進(jìn)口段、導(dǎo)葉體段和噴嘴段設(shè)置為靜止區(qū)域,葉輪段設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域。并將進(jìn)口段與葉輪段、葉輪段和導(dǎo)葉體之間的4個(gè)面設(shè)置為interface(交界面),以滿足葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件。計(jì)算域網(wǎng)格見圖2。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

2.3 邊界條件

噴泵進(jìn)口處采用質(zhì)量流量入口。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),計(jì)算流量范圍為180～220 kg/s,取5個(gè)工況點(diǎn),分別進(jìn)行計(jì)算。

艙底排水管道進(jìn)口采用壓力進(jìn)口,設(shè)為環(huán)境壓力。噴口出口采用壓力出口,設(shè)為環(huán)境壓力。

將參考壓力設(shè)為100 kPa。計(jì)算時(shí)考慮重力影響。

目前,在工程上最為廣泛應(yīng)用的是k-ε湍流模型。由于泵的內(nèi)部有較為強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流動(dòng),本次計(jì)算使用k-ε湍流模型的改進(jìn)方案RNG k-ε湍流模型。該模型考慮了流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流,通過修正湍動(dòng)粘度,并在ε方程中增加了一項(xiàng),從而使該模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。方程中的相關(guān)系數(shù)均取常用的經(jīng)驗(yàn)值。

計(jì)算基于壓力求解,使用SIMPLEC算法。為提高計(jì)算精度,離散格式均使用二階格式,并適當(dāng)減小了松弛因子。收斂精度為10-4,并監(jiān)視進(jìn)出口流量及總壓,以輔助判斷收斂情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 噴泵水力性能

計(jì)算完成后,由fluent生成葉輪轉(zhuǎn)矩及出口總壓計(jì)算報(bào)告,見表2。根據(jù)式(3)～式(6),即可求出噴泵的主要性能參數(shù),見表3和圖3。

表2 fluent計(jì)算報(bào)告

表3 計(jì)算結(jié)果

圖3 噴水推進(jìn)泵水力性能

由圖3可見,在流量為200 kg/s左右時(shí),該泵的效率最高,為77.8%。

3.2 速度矢量圖

以效率最高點(diǎn)的流量200 kg/s為例進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖4為導(dǎo)葉體流線圖。從圖4可以看出導(dǎo)葉體根部存在漩渦,這會(huì)導(dǎo)致流體動(dòng)能的損失,降低效率。從圖5中可以看出噴口出流仍存在較多的旋轉(zhuǎn)分量,也說明導(dǎo)葉體的整流效果尚未達(dá)到最佳。

圖4 導(dǎo)葉體流線

圖5 導(dǎo)葉體尾椎頂部

3.3 靜壓分布

圖6為葉輪正面靜壓云圖。

圖6 葉輪正面靜壓

由圖6可見,葉輪吸力面(正面)和壓力面(背面)的壓力差非常明顯。同時(shí)可以看出,葉片上的壓力分布較為合理,沒有出現(xiàn)大范圍的低壓區(qū),只是在葉片邊緣處有局部低壓區(qū)。

圖7為導(dǎo)葉體正面靜壓云圖,圖8為導(dǎo)流片根部靜壓云圖。由圖7、8可見,導(dǎo)流片的正面也存在一小部分低壓區(qū),尤其是根部尤為明顯。

圖7 導(dǎo)葉體正面靜壓

圖8 導(dǎo)流片根部靜壓

4 結(jié)論

1)該泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為約200 kg/s左右,誤差在±10 kg/s以內(nèi)。在該流量點(diǎn)泵的效率最高,為77.8%左右。

2)該噴水推進(jìn)器導(dǎo)葉體的葉型設(shè)計(jì)未達(dá)到最佳,噴泵流場中存在漩渦。這些速度分量不產(chǎn)生推力,從而導(dǎo)致能量損失,這很可能是導(dǎo)致該泵效率偏低的原因之一。應(yīng)對導(dǎo)葉體的葉型進(jìn)行改進(jìn),使導(dǎo)葉葉片進(jìn)口處與流體轉(zhuǎn)向保持一致,然后過渡至水平方向,避免整流過程中出現(xiàn)漩渦。

3)從靜壓分布圖中可以看出,在葉片吸力面邊緣處和導(dǎo)流肋片正面根部,均存在局部低壓區(qū),這是有可能發(fā)生氣蝕的區(qū)域［8］。但本次分析研究使用的是單項(xiàng)模型,尚不能判斷該區(qū)域是否一定會(huì)發(fā)生氣蝕,需進(jìn)一步重點(diǎn)研究。

4)該泵結(jié)構(gòu)很緊湊,只有155.5 mm的直徑和3片葉片,軸功率卻可以達(dá)到120 kW,每片葉片所消耗的功率就有40 kW,功率密度很大,而且該泵的最高轉(zhuǎn)速達(dá)7 500 r/min,離心力大。這對葉輪的材料和加工提出了很高的要求。建議選用0Cr17Ni4Cu4 Nb不銹鋼。該不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高,而且具有良好的機(jī)加工性能,非常適合加工葉輪。

［1］ALLSION J.Marine waterjet propulsion［J］.SNAME Transaction,1993,101:275-335.

［2］倪永燕,劉為民.泵噴水推進(jìn)器研究發(fā)展［J］.船海工程,2013(5):1-5.

［3］聶沛軍,王永生,李 翔.125SⅡ型噴水推進(jìn)泵水動(dòng)力性能的CFD預(yù)報(bào)研究［J］.中國艦船研究,2010(6):70-74.

［4］韓小林.用數(shù)值模擬研究轉(zhuǎn)速變化對噴水推進(jìn)軸流泵性能的影響［J］.船海工程,2008,37(2):137-137.

［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2004.

［6］GB 3216-89.離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì),2000.

［7］葉方明.后置導(dǎo)葉型噴水推進(jìn)泵總特性及三維流場［D］.上海:上海交通大學(xué),2005.

［8］關(guān)醒凡,泵的理論與設(shè)計(jì)［M］,機(jī)械工業(yè)出版社, 1987.

Performance Analysis of a Water-jet Based on CFD

WU Hao,GENG W ei-lin,GU Bing
(Hubei Sanjiang Boats Science&Technology Co.,Ltd,Xiaogan Hubei432100,China)

By themeans of CFD,the basic performance of a type ofwater-jet is studied.Thiswater-jetwas used in a small high speed watercraftwith the features of high revolution and strong thrust.Making use of Fluent software,RNG k-εturbulence model,SIMPLEC arithmetic and multiple reference coordinate system,the performance parameters of design flow,head of delivery,torque and power of the pump are calculated numerically,obtaining the velocity and pressure distribution of the flow field.It is helpful for the performance optimization of the impellers.

water-jet;CFD;high speed;Fluent

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.037

U661.31

A

1671-7953(2015)03-0155-04

2015-02-04

修回日期:2015-03-12

吳 昊(1987-),男,學(xué)士,工程師

研究方向:熱能與動(dòng)力工程

E-m ail:sjdonglishi@163.com