实尺度浸没式喷水推进泵设计参数选择与性能分析

为设计某浸没式喷水推进泵,以某小型轴流式喷水推进泵为对象建立浸没式喷射模型,采用CFD方法模拟分析浸没喷射对喷泵水力性能的影响。研究表明,浸没式喷射对喷泵水力性能的影响变化不大。根据喷水推进和船体边界层基本理论,考虑喷泵工作环境不同时的水力特性变化,基于Matlab/simulink仿真平台建立浸没式喷水推进泵水力设计参数选型程序,实现快速高效地得到喷泵基本设计参数为设计者提供设计依据。根据选型结果运用三元理论设计出所需喷泵,运用CFD方法获取浸没式喷泵的敞水水力性能,并安装到实尺度船上预报推进性能,结果表明浸没式推进系统具有较高的推进效率、满足快速性要求,验证了设计参数选型程序的适用性。     

高速船尾部喷水推进局部振动分析

针对高速船尾部采用喷水推进装置的局部振动问题，建立了船体尾部包含喷水推进泵的有限元模型。考虑附连水质量的影响，将船体尾部离散成甲板，底板，喷水推进泵，尾板等局部结构，采用规范经验公式估算以及有限元分析的方法分别对各局部结构的板、板格、板架进行固有频率计算，将其结果与轴频和叶频激励频率进行储备频率校核，判断尾部采用喷水推进装置在振动问题上是否满足规范标准，并为下一步的船体设计提供参考。     

浸没式喷水推进自航试验及数值模拟

浸没式喷水推进器与船体高度融合,难以通过试验的方法测量推进器各部件受力,因此文中采用船模水池试验和数值模拟相结合的方法来分析浸没式喷水推进的水动力特点。该文首先开展了船模拖曳阻力试验,测量了船模阻力、纵倾角及重心升沉。然后开展船模自航试验,测量了船模纵倾角、升沉及轴的转速、力矩、推力等数据。基于CFX软件,对拖曳阻力试验及船模自航试验进行了数值模拟。在四个不同航速下的数值模拟中,阻力计算误差在3.7%以内,轴推力计算误差在2.7%以内,轴力矩计算误差在4.6%以内,试验测量值和CFD预报值吻合较好。通过数值模拟可以进一步得到浸没式喷水推进器上各部件的受力情况,泵的流量、扬程及其它流场信息,克服了浸没式喷水推进器推力测量和流场测量的困难。     

喷水推进泵选型设计时工作参数和几何参数计算

作为推进装置中的一个主要部件,喷水推进泵在选型设计上与传统的泵差别很大,其工作参数的确定必须建立在推进系统分析的基础上,由设计航速下系统的最高喷射效率决定最佳喷速比,由额定转速和驼峰阻力处航速对应的工况点的抗空化性能来设定泵设计转速,并且要满足主机功率的要求。在已知设计航速和船体阻力曲线的条件下,引入8个假定参数后,计算得到了泵的5个工作参数值;由比转速和吸口比转速建立工作参数和几何参数之间的联系,进而求得转子进、出口直径和喷口直径等主要设计参数。     

喷水推进技术发展综述

该文针对喷水推进系统的控制体、推力表征、喷水推进与相互影响等基础理论研究,喷水推进泵、进口流道、操舵倒航机构、低噪声推进器等喷水推进系统的核心设计方法、相关仿真评估与试验验证手段,以及喷水推进装置在高速军、民船舶与两栖车辆三大领域的典型应用现状,进行了系统性论述。根据喷水推进技术特点以及其与现代技术发展的融合,提出了喷水推进与船体一体化系统设计、水动力设计从宏观走向微观、喷水推进数字化与智能化技术、集成电力驱动的喷水推进系统、面向隐身需求的喷水推进协调设计等喷水推进技术发展趋势。     

船体与喷水推进装置相互作用的仿真分析

研究船体与喷水推进装置的相互作用,探求喷水推进装置对船体自航因子的影响。通过提出船体与喷推相互作用的水动力仿真分析方法及仿真建模过程,从实船应用出发,进行了12.9 m铝制快速测量艇与武汉船用机械有限责任公司的喷水推进装置WDJ120的相互作用的实船仿真,结果表明,安装喷水推进装置的船体在自航状态下会产生较为明显的负的推力减额及正的伴流分数,从而有效地提高了船体效率,同时随着航速的增加,船体效率的提高更为明显。     

自航条件下船泵耦合的喷水推进特性数值分析

为了研究喷水推进船航速及运动姿态对推进特性的影响,采用CFD方法,对不同航速和姿态下的一艘喷水推进三体船进行自航计算。研究发现,在不考虑姿态的变化时,随着喷水推进装置转速的提高,航速提高,喷水推进装置导叶通道内贴近吸力面一侧流动分离减轻,推进性能提高。当航速和转速不变,仅改变运动姿态时,随着艏倾的增大,喷水推进装置入口处船底边界层变厚,动量影响系数减小,流道内流动不均匀性改善,而且推力增加;随着船体吃水深度的增加,喷水推进装置性能变化不明显,而当吃水深度过小时会引发空气吸入,性能将严重下降。这项目研究为喷水推进装置的优化设计及其与船体的匹配提供了有益参考。     

喷水推进装置降低船体阻力机理的仿真分析

通过对安装喷水推进装置的船体进行仿真分析,研究喷水推进装置降低船体阻力的机理。采用水动力仿真技术,对装有喷水推进装置WDJ120的12.9m铝制快速艇进行数值模拟,分析船体与喷水推进装置间的相互作用。仿真结果表明,喷水推进装置可降低船体的阻力,随着航速增加,阻力降低的效果更显著。船体阻力降低的机理主要在于喷水推进装置对船体产生垂向力,减小船体航行时的纵倾角,使船体阻力中兴波阻力分量的降低大于摩擦阻力分量的增大,从而导致船体总阻力的下降。     

现代喷水推进装置的演变

现代喷水推进装置已有340多年的历史,其演变过程主要经历了早期的喷射推进、液压泵推进、间歇性喷水推进、底板式喷水推进、尾板式喷水推进和外挂式喷水推进等几种类型,文中对各种类型喷水推进装置作了简要介绍;列举了喷水推进在现代各国舰船上的应用;最后归纳了喷水推进装置应用的特点,并就其未来的发展作了展望。     

不同工况下喷水推进泵内流性能研究

为研究不同工况下喷水推进泵的内流性能,以轴流式喷水推进泵为研究对象,运用Ansys18.2流体计算软件模拟了不同转速和不同航速下喷水推进泵内的内流场,分析了喷水推进泵的转速和航速变化对其能量特性和内部流动的影响.数值计算结果表明:喷水推进泵的推力与航速呈负相关,与转速呈正相关;随着船舶航速的增大,喷水推进泵进水流道内的流速逐渐增大,叶轮进口速度的高速区面积有所增大,导叶出口速度分布的周期性逐渐减弱;随着转速的增加,叶轮进口处更容易发生空化,导叶出口压力上升,速度增大;喷水推进泵进水流道的唇部区域存在小范围的高压区,且航速越高,转速越低,该区域面积越大.     

喷水推进研究综述

该综述分三部分介绍了当今世界喷水推进技术研究的前沿情况:第一部分是喷水推进器的理论研究、试验研究和CFD的应用;第二部分涉及喷水推进装置的模拟仿真、航行试验、喷水推进器与船体的相互作用,以及喷水推进装置的总体设计;第三部分则是几种新型喷水推进器及装置的介绍.     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

喷水推进船获流区流场数值模拟

喷水推进是一种特种推进技术，利用吸入与喷出水流的动量差产生推力。在考察船体对喷水推进系统的作用时，通常需要获取进水口前方获流区的动量通量。利用CFD方法对一艘喷水推进三体船模型的自航性能进行模拟，考察船体纵倾、升沉和自由面的影响。采用流量边界条件法对泵的喷射作用进行简化，可提高计算效率。通过流线确定获流区形状，考察获流区进流的动量、动能和边界层影响系数，并与模型试验结果进行比较。在此基础上，对某四泵喷水推进船获流区流场进行数值模拟，考察进速比和流道进口特征对获流区的影响，为四泵喷水推进船舶的设计提供支撑。     

喷水推进水泵的汽蚀比转数

喷水推进目前在拖轮、滑行艇、气垫船和水翼艇上都有应用。选择水泵作为船舶推进装置时,首先要确定泵的比转数n_s和汽蚀比转数C。泵的比转数n_s由Q、H和n三个基本参数确定。它是决定泵的类型和选择模型的基本依据。一般以下式表示     

喷水推进三体船阻力与自航数值模拟研究

建立考虑纵倾角及重心升沉等姿态变化的喷水推进三体船阻力数值计算方法,并与船模拖曳阻力试验进行对比,再开展船模自航试验的数值模拟,分析数值计算与模型试验的误差。通过数值模拟可以进一步得到喷水推进器上各部件的受力情况、泵的流量、扬程及其他流场信息,为研究船体与喷水推进装置的相互作用影响规律以及喷水推进与高速三体船的总体匹配设计提供参考。     

喷水推进船避免喷泵气蚀的仿真研究

为了解决喷水推进船在各种工况下,喷泵工作在气蚀区的问题,利用Simulink与MFC(Microsoft Foundation Class)集成的方法开发出了可用于制定喷水推进装置在回转、加速等工况下,避免喷泵在空化区运行的工作制的仿真程序.利用开发出的仿真程序对特定工况下的最大柴油机转速、最大喷泵转角以及最短加速时间做了仿真计算.该计算结果对喷水推进艇避免喷泵气蚀的操作规程有一定的参考价值.     

喷水推进液压系统用恒压力/流量控制斜盘柱塞泵的建模与动态特性仿真

在分析喷水推进装置操舵和倒航操作原理与要求的基础上,建立了A10VO-DFR型的恒压力/流量控制斜盘式变量柱塞泵的数学模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,搭建了该泵仿真模型,重点研究了在变转速工况、变负载工况、变节流阀阀口工况下泵的输出流量的变化关系,所获得的结论对改进喷水推进装置液压系统的性能提供了理论依据。     

喷水推进装置至船体的载荷传递

推进和控制载荷必须从喷水推进装置传递到船体上。喷水推进装置产生的载荷通过艉封板传递到船体上是许多喷水推进装置的基本方式。为此，要求船舶设计师和建造厂对艉封板进行加强。最近船舶建造厂和喷水推进装置制造厂通过分析注意到这样一个事实，即艉封板的横向刚度很强，可以很容易地承受转向载荷，而对艉封板的前、后方向进行加强却很困难。相反，进水充道在前、后方向上刚性很好，因此它能够经常承受大部分的推进载荷。问题是大     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计

采用基于雷诺时均法的SST湍流模型对"某轴流式喷水推进泵+进水流道+船体"系统进行数值计算,查找出了该喷水推进泵和进水流道设计存在的一些问题。依据该船体阻力、设计航速和主机功率等参数重新对该船喷水推进器进行选型,进而运用三元的方法对喷水推进泵进行设计,利用参数化设计的方法对流道进行设计。采用了数值试验的方法校核新设计的混流式喷水推进器流体动力性能,计算结果表明:新设计喷水推进泵和进水流道性能优异,并且能够较好地满足快速性指标。最后,对改进设计的喷水推进器进行了快速性预报和实船试航,试航结果表明新设计混流式喷水推进器推进航速超过设计航速9.4%,并且数值预报航速与试航结果误差为1.5%,这既验证了设计方法的有效性,也验证了所采用的数值模型的准确性。