叶片数对喷水推进低比转速轴流泵叶轮水动力性能的影响

喷水推进低比转速轴流泵是随着喷水推进技术的发展而产生的一种新泵型。针对一型低比转速轴流泵叶轮叶片数分别选取为5、6、7建立三组叶轮模型,选择RNG k-ε两方程涡粘模型进行叶轮内流场与功率、总压扬程、效率的数值模拟计算,得到三组叶轮的相关水动力曲线。在此基础上分析叶片数对低比转速轴流泵叶轮水动力性能的影响,得到叶片数对功率、总压扬程与工况点影响较大,而基本不影响最高效率的结论,为我国该类泵型的深入研究提供参考。     

对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.     

喷水推进轴流泵主体设计及性能分析

针对喷水推进轴流泵流道设计、轴流泵叶轮和导叶体设计进行计算研究,运用CAD软件进行了轴流泵建模设计,利用CFD软件求解了轴流式喷水推进泵内的流场,得出了喷泵的水力性能及内部流场的流动情况,直观地检验了喷泵设计的合理性和可行性,研究结果和结论可为喷水推进装置的整体化设计提供参考.     

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.     

喷水推进混流泵流道主参数确定方法与验证

针对当今高性能船舶对重负荷喷水推进混流泵的需求日益增长、而国内混流泵设计理论与方法尚不完善的现状,提出喷水推进混流泵流道的设计方法。在分析喷水推进混流泵流道特点的基础上,以提高装船适配性、推进泵运行可靠性与水动力性能为目标,给出流道主要参数的确定方法;随后给定设计参数,运用形成的设计方法完成了流道设计,并分析其水动力性能。与国际知名品牌商用混流泵流道比较结果表明,该流道的装船适配性占有优势,并且水动力性能相当,从而验证了设计方法。     

水下喷水推进器工作特性分析

在充分研究固体燃料涡轮机和高速轴流泵的基础上,提出了应用于水下航行器的喷水推进系统。研究了设计工况时,航行器、轴流泵、发动机的运动学和动力学平衡关系;在定深工况下,分析喷嘴数目变化时航行器的稳定速度;以及不同喷嘴数目时,航行器的变深和变速特性。研究结果表明,喷水推进器能够实现水下航行器大航深、高航速的性能目标。研究结果对喷水推进水下航行器具有重要的参考价值。     

基于流道倾角对喷水推进泵流道性能的影响研究

利用参数化方法设计了4种不同流道倾角的喷水推进泵椭圆形进水流道,并采用三维雷诺平均N-S方程和RNGκ-ε湍流模型对其流场和性能进行数值仿真.从流道的出流均匀性、流动分离方面来分析在保持进口速比不变,不同流道倾角时流道内流场的变化情况,为喷水推进器进水流道倾角的设计提供依据.计算结果表明:流道倾角对喷水推进泵水力性能和流场变化影响较大.在设定进速比的条件下,随着流道倾角的增大,喷水推进泵流道出口的流场均匀性变差,流道内部更容易发生流动分离现象,且在流道倾角为47°时的喷水推进泵在设计工况下的流场特性最差.     

基于流道倾角对喷水推进泵流道性能的影响研究

利用参数化方法设计了4种不同流道倾角的喷水推进泵椭圆形进水流道,并采用三维雷诺平均NS方程和RNGκ-ε湍流模型对其流场和性能进行数值仿真。从流道的出流均匀性、流动分离方面来分析在保持进口速比不变,不同流道倾角时流道内流场的变化情况,为喷水推进器进水流道倾角的设计提供依据。计算结果表明:流道倾角对喷水推进泵水力性能和流场变化影响较大。在设定进速比的条件下,随着流道倾角的增大,喷水推进泵流道出口的流场均匀性变差,流道内部更容易发生流动分离现象,且在流道倾角为47°时的喷水推进泵在设计工况下的流场特性最差。     

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.     

基于VG/VGJ的喷水推进进口流道流动控制方法

平进口喷水推进器的进口流道背部流动分离所导致的喷水推进泵进流畸变,是喷水推进泵性能与推进器性能下降的主要原因。基于涡流发生器（vortex generator, VG）/射流式涡旋发生器（vortex generator jet, VGJ）抑制流动分离的理论,该文选择某型进口流道模型,在低速风洞上进行模型吹风实验,以模拟平进口进水流道内流动。通过测量进口流道壁面压力和喷水推进泵入口面总压分布,解释了VG/VGJ提升推进性能的机理,获得了VG/VGJ结构尺寸和安装位置对流动控制效果的影响规律。在低进速比（IVR=0.5）工况下,布置合理的VG/VGJ能提高进口流道总压恢复系数和喷水推进泵进流面轴向速度均匀度,可以增加近5%的推力。     

叶轮旋向对喷水推进器噪声性能的影响

文章运用计算流体力学和直接边界元方法计算叶轮旋向对喷水推进器水下辐射噪声性能的影响。首先,采用计算流体力学方法计算和分析了某喷水推进泵的裸泵性能曲线,并与厂商数据比较以验证CFD计算方法;然后,计算某“船体+流道+喷水推进泵”的稳态流场,在此基础上计算喷泵内的非定常流场,并获得了叶轮叶片、导叶叶片、轮毂和外壳壁面上的偶极源以及固体壁面上的单元和节点信息;最后,采用直接边界元方法计算喷水推进泵的声场分布。结果表明：喷泵内最大压力脉动在叶轮进口处,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶轮进口处的压力脉动幅值外旋泵比内旋的大,但在叶轮和导叶相互作用区域则相反;在10～1000 Hz内,叶轮和导叶相互作用区域对于辐射噪声的贡献是最主要的;内旋泵的总声压比外旋泵的总声压级大2.4 dB。     

来流含气条件下喷水推进器内部涡结构数值分析

基于Eulerian-Eulerian非均相流模型对来流含气条件下喷水推进器叶轮内涡结构分布进行数值分析，发现由于进流中存在气相介质，使得叶轮中涡量分布较纯水中发生改变。在旋转效应和形变效应影响下，气相介质表面与内部的涡旋方向相反，随着航速升高，流道内流动状态趋于稳定，高涡量分布区域逐渐减少。在瞬态数值计算中，运用?涡识别方法发现气相介质的存在会使得叶顶泄漏涡强度和大小发生改变，尾缘涡较纯水中出现明显延展现象。由此说明喷水推进器在来流含气条件运行时，叶轮内涡结构的产生和发展会受到气相介质影响。     

基于熵产理论的不同斜航角下的喷水推进器能量损失

为研究高速进流状态、不同斜航角下的喷水推进器内部流动损失特性，采用SSTk-ε湍流模型对喷水推进器内部流场进行定常计算，并根据熵产理论对不同斜航角下喷水推进器各部件的流动损失特性进行定量分析。研究结果表明，喷水推进器内部能量损失的主要来源是湍流耗散，其熵产比率最高可达91%。斜航角越大，喷水推进器内部流动损失越大，进水流道出口处流动的不均匀度越高，叶轮段高熵产区域越大，且分布不均匀；导叶段能量损失在各斜航角下均较大，导叶各流道轮毂处存在大量紊乱的流线，随着斜航角的增大，形成大面积的分离涡团。     

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。     

船用废气涡轮增压器压气机内部流场数值研究

利用三维数值模拟技术对某型船用柴油机废气涡轮增压器压气机内部流场进行了数值分析,得到了额定转速下压气机内部流道气体流动情况。分析了压气机转子流道流场和径向扩压器流道流场,得到了主要气动参数分布。数值分析表明,在额定工况下离心叶轮内靠近叶轮出口处以及径向扩压器流道内流体均存在跨音速流动区域,同时在扩压器叶片吸力面下游位置存在低速涡流区域;压气机转子流道和扩压器流道的相互干扰及叶顶间隙的存在是导致压气机内部出现流动分离的主要原因。     

高比转速轴流式和斜流式泵喷水推进器推进特性分析

对比比转速同为ns=769的两个轴流式叶轮和斜流式叶轮的水力性能和推进性能,分析其做为泵喷水推进器叶轮的适用性。分析结果表明,就所研究的两个叶轮而言,斜流式叶轮的高效区更宽,当做为泵喷水推进器叶轮使用时,轴流式叶轮的结构更紧凑、最大推力更大、最大推功比也更大。因此轴流式叶轮比斜流式叶轮更适合于用做泵喷水推进器的工作叶轮。     

泵轴对进水流道流动性能和喷水推进器推进性能的影响

采用数值方法研究泵轴对进水流道流动性能及喷水推进器推进性能的影响。利用SSTCC k-ω湍流模型求解计算域,使用多面体网格划分进水流道,通过网格无关性分析确定无轴式进水流道和有轴式进水流道计算域的网格数。计算结果表明：泵轴主要影响低进速比工况下的流道效率、垂直度和不均匀度,以及高进速比工况下的流道效率;泵轴的存在使其上方区域存在一对漩涡结构,且出口截面泵轴上方存在显著的低速区,在相同进速比工况下,有轴式进水流道的最小压力系数小于无轴式进水流道的最小压力系数,有轴式进水流道的抗空化能力弱于无轴式进水流道。在低进速比和高进速比工况下,泵轴的存在会显著降低进水流道的流动性能。无轴式喷水推进器的流量系数、扬程系数、功率系数、喷水推进泵效率、系统效率和推进效率等推进性能全面优于有轴式喷水推进器。     

前置导叶喷水推进轴流泵设计方法

根据前置导叶喷水推进轴流泵型的结构特点,建立三元非定常流动中前置导叶泵的数学模型,并基于径向变环量分布的轴流泵设计方法,提出并总结了适用于前置导叶轴流泵叶轮的环量分布、轴面速度、叶栅稠密度、叶片径向厚度分布、翼型选择等参数的选取和设计步骤,对工程应用具有一定指导意义。     

基于数值试验的喷水推进轴流泵的一体化设计

在给定流量、转速和扬程的设计指标下,综合分析和选取决定叶轮水动力性能的主要几何参数,采用升力法进行喷水推进轴流泵叶轮的水力设计。然后运用CFD方法对所设计轴流泵在设计点水动力性能进行数值模拟,计算结果表明:水力效率和扬程均满足设计要求。此基础上计算得到了该泵的扬程-流量、功率-流量、效率-流量特性曲线,进一步验证设计的合理性。最后将在设计工况下计算得到的水动力载荷导入有限元分析软件进行叶轮应力分析,校核了设计工况下叶片强度;同时,对叶轮进行模态分析,结果显示:所设计叶片固有频率远离轴频、叶频,能很好地避开叶轮共振。     

半开式径向叶轮上游预旋流动研究

叶轮进口上游的预旋流动是影响流体机械水力及空化性能的重要因素,主要采用粒子成像测速（PIV）技术对半开式径向叶轮上游的预旋流动进行试验研究。通过对比不同转速和流量工况下的PIV试验结果,发现在叶轮上游吸入管内均存在与叶轮旋转方向一致的预旋流动,且偏离设计工况越远、距离叶轮越近、其预旋速度相应也越大。同时,叶轮旋转的影响还可通过流道向上游传播,继而在吸入管内诱导产生涡量场。因此,有必要基于RANS方程组及RNG k-ε湍流模型进行叶轮全流道三维湍流流场的数值模拟。结合试验和数值模拟的结果,可发现吸入管内部预旋流动主要为沿旋转方向的周向流动,而沿半径方向的径向流动很小,且径向速度在数值上要比周向速度小一个量级。