喷水推进泵空化预测原理和方法的研究

文章在介绍喷水推进在国内外的最新应用后,着重分析喷水推进系统在舰船上的应用所带来的新特点,即极易进入空化区。根据舰船动力装置机舱自动化的设计规范中的有关监测报警系统的设计要求,文章提出了喷水推进泵空化预测原理和方法研究的必要性。     

基于LabVIEW的喷水推进泵空化在线监测系统

采用LabVIEW图形化编程软件构建了喷水推进泵空化在线监测系统平台,利用安装在喷水推进泵叶轮进口前的水听器和泵壳体上的加速度传感器分别获取泵内水声信号和壳体振动信号,选用特征频带的声压级和振动加速度级作为空化在线监测的特征量,并通过实测数据分析确定了对应的空化报警阈值。实船试验结果表明,该监测系统能够对喷水推进泵的空化状态进行实时有效的监测。     

喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性试验研究

为探究喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性,试验研究了不同工况和各有效汽蚀余量下叶轮、导叶壳体内壁压力脉动和泵体振动变化规律。比较了两种空化试验方法,并对典型监测点空化前后的时域、频域信号进行了分析。结果表明,空化诱导的压力脉动与振动有着密切联系,叶轮出口处压力脉动和静动部件间的振动信号可用于空化引起的混流泵不稳定运行的监测。随着空化逐步发展,振动信号强度突变滞后于压力脉动,但都提前于外特性的大幅下降,而且未空化与空化发生时信号的时域、频域特征有着明显的差别,这项研究对喷水推进泵空化状态的实时动态监测具有实际工程应用意义。     

两用斜流式喷水推进系统研究

开发了一种摩托艇推进和水上飞行两用斜流式喷水推进系统,并对其进行了研究.首先建立了喷水推进器的推力与水力特性流量、扬程、比转速以及射流比之间的联系并由此确定了水力性能参数.然后设计了3个具有不同射流比的喷水推进器并应用数值计算对得到的外特性以及推力特性进行比较分析,研究发现根据所确定的计算方法得到的喷水推进器在接近最优效率点工作,推力满足喷水推进的要求,推功比也接近最大推功比.最后以设计得到的喷水推进器为动力源、以应用能量最小为优化目标对水上飞行喷射装备进行设计分析,得到了水上飞行工况时喷水推进器的运行范围,进一步完善了喷水推进器的设计理论和分析方法.     

喷水推进泵空化性能数值模拟与试验验证

为研究喷水推进泵空化性能,采用计算流体力学(CFD)方法对自行设计的喷水推进泵内部空化流场进行了数值计算与分析。用六面体结构化网格对喷水推进泵的进流管道、叶轮、导叶体和出流管道进行网格划分;通过求解由SST湍流模型封闭的RANS方程计算得到喷水推进泵内部流场,计算得到的扬程、功率和效率特性曲线与试验结果吻合较好。文中还对多个流量的空化性能进行了数值预报,计算结果与试验数据在趋势上具有一致性;小流量工况的临界净正吸头与试验值误差较小,而大流量工况的临界净正吸头与试验值误差较大。研究结果表明:采用CFD方法预报喷水推进泵内部空化流场和空化性能是可行的,可作为喷水推进泵优化设计的有效途径。     

混合推进船舶"船-泵+桨-机"匹配方法研究

为提高混合推进船舶推进系统的性能,分析了"船-泵+桨-机"的匹配方法.介绍了"船-桨-机"与"船-泵-机"的匹配方法、思路与步骤,着重研究"船-泵+桨-机"匹配中的泵、桨负载分配对推进性能的影响.以调距桨特性曲线与喷水推进推力曲线进行混合推进舰船的快速性计算,螺旋桨重载降低推进效率,喷水推进重载容易产生空化.为避免喷水推进泵产生空化,调距桨的螺距、转速可调范围变窄.     

斜流工况下喷水推进系统流场控制体理论模型研究

喷水推进船舶在转向运动时推进器的进流条件与直航状态存在明显差异。基于RANS方法对斜流角在0°～30°范围喷水推进系统的进流和推力特性进行数值模拟。研究表明：随着斜流角的增加，半椭圆形进口获流区的宽度增大而厚度减小，斜流工况下边界层影响系数近似等于直航工况下边界层影响系数与斜流角余弦的乘积。在非空化条件下，当喷水推进船舶作转向运动时，进口流道效率降低是推进器性能下降的主要原因。基于数值模拟结果，建立了斜流工况下喷水推进系统流场控制体理论模型，对经过推进系统的水流进行速度修正和船体边界层修正，提出了斜流工况下推力预估公式并进行了验证。     

喷水推进轴流泵的水力设计与空化特性分析（英文）

基于先进的叶片设计方法，本文采用NREC软件对喷水推进轴流泵（包括一排动叶和一排静叶）进行模型设计，进而采用标准k-ε湍流模型和混合多相流模型对其空化特性进行数值模拟，并借助“Schnerr Sauer”空化模型来探究空化导致扬程下降的机理。结果表明，随着有效汽蚀余量的减小，空化首先发生在叶轮进口端附近，然后向叶轮出口端、轮毂及相邻叶片方向扩展，其水汽混合混乱，反向回流而产生旋涡。另外，本文还研究了与泵内流场非线性耦合的叶片几何参数（叶片安装角、叶片拱度和叶片厚度等）对空化的影响规律。结果表明，叶片安装角减小或叶片拱度增加，空化面积将随之减小，这提高了喷水推进泵的抗空化能力，而叶片厚度对其性能影响不大。     

用数值模拟研究转速变化对喷水推进轴流泵性能的影响

轴流泵作为喷水推进器的核心部件具有推进效率高、抗空化能力强、噪声低等优点.为实现喷水推进轴流泵的三维模型自动生成,以FORTRAN为编程语言,完成了轴流泵叶轮的参数化自动建模.运用计算流体动力学CFD软件--FLUENT基于标准κ-ε紊流模型及SIMPLE算法对020Q84喷水推进轴流泵内部流场及其运行特性进行了三维数值模拟,研究和分析叶轮转速变化对轴流泵性能的影响.     

导边形状对轴流式喷泵性能影响的计算分析

以某高速摩托艇喷水推进泵为研究对象,通过数值试验的方法计算分析不同叶轮导边形状对喷泵水力性能和空化性能的影响。以Ka Me Wa71SⅡ型喷水推进器的混流式喷水推进泵为例,采用基于雷诺时均的数值计算方法对其水动力特性进行模拟,对该高速摩托艇叶轮直导边及两种不同程度的修圆的弧形导边的轴流式喷泵性能进行计算,利用CFX软件后处理分析发现导边修圆可以有效改善空化性能,但在小于设计流量时对效率会有一定的不利影响,对功率和扬程的影响很小。     

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.     

空泡水洞中拖式吊舱推进器脉动压力测量及空泡观测

针对吊舱推进器的关键技术,开展拖式吊舱推进器空泡性能和脉动压力的试验研究。试验在海军工程大学空泡水洞实验室进行,观察吊舱推进器桨模在不同工况下空泡发展和变化情况,并用人工观察方式进行整理记录,同时通过螺旋桨正上方区域安装的脉动压力传感器测量脉动压力。对试验结果进行分析,探讨拖式吊舱推进器不同工况下脉动压力和空泡性能的特点和规律及其对水动力性能的影响,为吊舱推进器性能研究及设计提供参考。     

泵喷水推进器分析与设计改进

通过CFD仿真技术获取了某快艇原载轴流式泵喷水推进器的性能,并通过经典计算发现原载轴流式喷水推进器的额定流量与快艇阻力特性不匹配,且其扬程远远低于期望值。新的泵喷水推进器主要从两个方面进行了改进：一是通过调整喷嘴出口口径使泵喷水推进器在最优效率点运行时正好符合快艇的阻力特性;二是提高泵喷水推进器的扬程使其满足能量平衡的需求。根据确定的参数设计了新的斜流式泵喷水推进器。通过CFD仿真表明斜流式泵喷水推进器达到了设计指标。试水试验表明配备新的泵喷水推进器后快艇达到了期望的要求。     

Verification and validation study of URANS simulations for an axial waterjet propelled large high-speed ship

The accurate prediction of waterjet propulsion using computational fluid dynamics (CFD) is of interest for performance analyses of existing waterjet designs as well as for improvement and design optimization of new waterjet propulsion systems for high-speed marine vehicles. The present work is performed for three main purposes: (1) to investigate the capability of a URANS flow solver, CFDSHIP-IOWA, for the accurate simulation of waterjet propelled ships, including waterjet–hull interactions; (2) to carry out detailed verification and validation (V&V) analysis; and (3) to identify optimization opportunities for intake duct shape design. A concentrated effort is applied to V&V work and performance analysis of waterjet propelled simulations which form the focus of this paper. The joint high speed sealift design (JHSS), which is a design concept for very large high-speed ships operating at transit speeds of at least 36 knots using four axial flow waterjets, is selected as the initial geometry for the current work and subsequent optimization study. For self-propelled simulations, the ship accelerates until the resistance equals the prescribed thrust and added tow force, and converges to the self propulsion point (SPP). Quantitative V&V studies are performed on both barehull and waterjet appended designs, with corresponding experimental fluid dynamics (EFD) data from 1/34 scale model testing. Uncertainty assessments are performed on iterative convergence and grid size. As a result, the total resistance coefficient for the barehull case and SPP for the waterjet propelled case are validated at the average uncertainty intervals of 7.0 and 1.1%D, respectively. Predictions of CFD computations capture the general trend of resistance over the speed range of 18–42 knots, and show reasonable agreement with EFD with average errors of 1.8 and 8.0%D for the barehull and waterjet cases, respectively. Furthermore, results show that URANS is able to accurately predict the major propulsion related features such as volume flow rate, inlet wake fraction, and net jet thrust with an accuracy of ~9%D. The flow feature details inside the duct and interference of the exit jets are qualitatively well-predicted as well. It is found that there are significant losses in inlet efficiency over the speed range; hence, one objective for subsequent optimization studies could be maximizing the inlet efficiency. Overall, the V&V work indicates that the present approach is an efficient tool for predicting the performance of waterjet propelled JHSS ships and paves the way for future optimization work. The main objective of the optimization will be reduction of powering requirements by increasing the inlet efficiency through modification of intake duct shape.     

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。     

基于MFC对SIMULINK二次开发的喷水推进系统仿真

提出了使用MFC对Matlab/SIMULINK进行二次开发的方法,该方法是通过MFC编写程序驱动SIMULINK模型转换来的C++源代码而实现的。这既可以发挥SIMULINK仿真能力强的优势,又可以充分利用MFC编程的高效性、灵活性,提高仿真软件开发的效率。以某喷水推进船仿真程序为研究对象实现了MFC对SIMULINK的二次开发,得到了适用于该喷水推进船各种工况的仿真软件,并以回转过程与加速过程为例进行了仿真计算。     

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.     

喷水推进在现代舰艇的应用分析

简要介绍了喷水推进的基本原理和优点;列举并分析了喷水推进在现代海军高速攻击艇、隐身型舰艇、高速运输舰、护卫舰和驱逐舰等大中型舰艇、登陆舰及两栖攻击车辆上的应用,归纳了喷水推进在现代舰艇应用的特点;最后就喷水推进未来在我海军的应用作了展望。     

喷水推进船转弯过程中柴油机负荷变化规律的研究

建立了喷水推进船转弯过程推进系统的数学模型,研究了转弯过程中柴油机负荷的变化规律.这些规律包括:从直航过程到转弯过程柴油机负荷的变化;直航过程到转弯过程柴油机负荷的增幅随初始航速的变化规律;转弯过程中内侧泵、外侧泵对应的柴油机负荷变化的比较;分别用回转轨迹内侧泵和外侧泵转弯时柴油机负荷变化的比较.研究表明,喷水推进船转弯过程中柴油机的负荷变化幅度不大,一般不会超负荷;在选择转弯操纵策略时应把重点放在防止喷泵进入空泡穴蚀区的研究上.