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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

某V型船尾四台喷水推进器进流特性数值模拟与分析

以某V型船尾布置四台喷水推进器的进口流道为研究对象,通过数值模拟方法,计算设计航速工况下的进口流道进流特性以及随进速比的变化规律。研究结果表明,进速比减小,进口流道进流效率增加,但过小的进速比下的出流不均匀度增加。两台内侧推进器进流不仅相互之间会产生影响,还受到外侧推进器的影响,其获流区截面形状相对更窄、更深,而外侧推进器则相对更宽、更浅;外侧推进器的进流受到内侧推进器的影响,其获流区域有明显向外侧偏移的倾向。这一重要结论对V型船四台喷水推进器的布置优化,喷水推进器与船体水动力匹配权衡设计有重要的指导意义。     

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.     

船舶喷水推进器推力分布研究

应用计算流体力学方法对一典型内置推力轴承混流式喷水推进器的流场进行了数值模拟,计算和分析了叶轮、导叶体、进水流道等主要水力部件的推力分布.计算结果显示:(1)在推进特性线上的设计工况,内置推力轴承上的推力约为喷水推进器净推力(合力)的1.5倍,泵静止部件上的推力约为净推力的-0.5倍,进水流道上的推力很小,可忽略不计;(2)各部件上的推力占净推力的比例在推进特性线上的其它工况基本维持不变;(3)在非推进特性线上的工况,各部件上的推力分布不同于推进特性线上的工况,来流速度与泵转速的比值越高时泵静止部件上向后的推力越大,进水流道上的推力不再是可忽略的小量了.喷水推进器推力分布规律的研究结果可为喷水推进器和船尾结构的强度设计时加载水动力作用项提供参考.     

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。     

喷水推进器进水流道的声传播特性分析

进水流道作为喷水推进泵脉动声源通过进水口向远场辐射的传递通道,声波经流道传播后流道进口处声压峰值频率相对流道出口声压峰值频率发生较为显著的偏移。为解释该现象,文章以进水流道为对象分析其声传播特性。首先分别利用阻抗出口边界和自动匹配层出口边界计算分析了轴对称变截面管道的声传播特性,计算值与文献值吻合较好,验证了大截面管路声传播特性数值计算的可信性。然后以进水流道为对象,并以面平均声压衰减量为评价流道声学特性的指标,利用自动匹配层出口边界分析了流道的声传播特性。结果表明:由于低频段流道内仅能传递平面波,高次波被衰减,导致该频段声压衰减量较大;声压衰减量的最小值对应频率与喷泵叶频或其谐频接近,使得流道进出口截面处最大声压对应频率产生偏移。     

喷水推进器进水流道倾角与流动性能关系研究

对某平进口式喷水推进器进水流道,在其纵向总长度、宽、高给定的条件下,建立了倾角不同的6种流道模型.采用RNG k-ε湍流模型封闭RANS方程,运用SIMPLE算法,并考虑进口速比IVR(流道出口速度与航速之比)对流道流场的影响,得到了进水流道内部流场特征.从流道的出流均匀性、空化、流动分离和变工况的适用性4个方面提供定性和定量指标用以分析流道倾角在不同进速比工况下的水力性能情况,为喷水推进器进水流道倾角的优化设计提供依据.分析结果表明,该型推进器在流道倾角等于40°时各方面性能都较好.     

喷水推进流道格栅的流体作用力分析和强度计算

某喷水推进船进水流道格栅多次发生断裂,并损坏了喷水推进泵。准确分析格栅所受到的流体作用力是探寻其损坏原因的基础。应用计算流体力学技术,对包括喷水推进泵、流道、格栅和船体在内的整个喷水推进系统内外流场进行数值模拟。在准确预报喷水推进器推力、功率特性的前提下,较准确地得到了格栅流体作用力。分析发现,栅条的侧向升力远大于迎流阻力,各栅条之间存在明显的相互作用力。运用计算所得的流体作用力对格栅进行了应力强度计算和形变位移分析,排除了格栅损坏的静强度致因的质疑。最后,为进一步探寻格栅损坏真正原因提出了建议。     

喷水推进器进水流道流动性能的数值分析

针对喷水推进器进水流道方案,利用CFD软件Fluent对不同流道倾角、唇角半径及形状、斜坡半径下的喷水推进器性能进行数值模拟。通过分析进水流道效率、出流口加权平均角、不均匀系数、唇部驻点位置等,对进水流道的流动性能进行对比分析。结果表明,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%,优于原始进水流道的效率80.4%。     

喷水推进器进水流道进流面形状研究

采用动量法预报喷水推进器的推力和效率时,进水流道进流面的动量和能量的精确求取是影响预报精度的关键因素之一.当喷水推进器的流量以及船体边界层速度分布已知时,还需确定进流面的形状才能求取进口的动量和能量.有关进流面形状及其对推进性能的影响程度,目前还存在争论.本文采用CFD方法对进水流道的流场进行了数值模拟,通过求解一个用户自定义标量方程获取了不同进口速度比(IVR)条件下的流管及进流面形状.计算结果表明:①对于常见的平进口式矩形进水口,流管和进流面宽度约为进水流道宽度的2倍,且随进速比IVR的变化不明显;②随着IVR减小,进流面深度逐渐减小,进流面形状从饱满的半椭圆形逐渐变平坦,IVR很小时(IVR<0.3)进流面在中心线附近有所内陷;③同一工况下,进流面形状在进水口之前船体首尾方向不同的位置处基本不变.     

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。     

仿生学原理在进水流道结构设计中的应用

用常规方法为某高速巡逻艇设计了喷水推进泵和进水流道,将其安装于该艇后通过数字自航发现艇底高速水流进入流道后难以充满整个流道及喷泵。运用流动类比分析法,分析流量不足、推力减小的原因:流道高度偏大、流道长度偏短、流道背部形状不适用于高速进流条件。通过改进设计:降低流道高度、增大流道长度、利用原流道内自然流动中最佳流线形状构成流道背部形状以及进水流道与艇体的连接,这显著改善了"艇体-进水流道-喷泵"流场性能及推进性能。     

尺度效应对喷水推进系统进出口流场及推力影响分析

本文以喷水推进船为研究对象,采用数值计算方法计算不同缩尺比喷水推进系统的水动力性能。通过比较不同缩尺比喷水推进进出口的速度场和出口不均匀度,认为在缩尺比较大时,缩尺比对喷水推进进出口速度场影响较小。将模型尺度推力换算成实型推力时,引入无因次系数C,该系数会随着缩尺比的增加而不断增加。通过计算不同缩尺比喷水推进泵的C值,可以拟合出一条曲线,通过拟合出的曲线可以求出实泵的C值,最终可以将模型喷泵产生的推力通过相似换算得到实泵产生的推力。这对喷水推进装置的设计和喷水推进船的快速性预报具有重要的指导意义。     

基于声学有限元的喷水推进器流道声传播特性研究

喷水推进器进口流道、推进泵泵壳和喷口构成了一个复杂曲面过流流道,文章针对该流道结构的声传播特性问题,研究了用于声场计算与分析的声学有限元法,并进行了仿真实验。文中建立了喷水推进流道的声学有限元模型,在COMSOL环境中仿真分析了偶极子声源在某型喷水推进器流道中的声传播特性。仿真结果表明：受流道截止频率影响,315 Hz频率附近的噪声不能向进口流道入口方向传播,而在喷口处呈现较高的辐射噪声级;5 kHz频率以下,传递损失有随频率增加而逐渐减小的趋势,但随着频率升高,传递损失有逐渐增加的趋势。