125SII型喷水推进泵水动力性能的CFD预报研究

聂沛军 王永生 李 翔

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

125SII型喷水推进泵水动力性能的CFD预报研究

聂沛军 王永生 李 翔

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

以71SII型喷水推进泵为母型，运用相似理论、CFD数值模拟及试验数据校核相结合的方法，预报了某型船拟使用的同系列的125SII型喷水推进泵的水动力性能。通过CFD分析不仅获得了125SII泵的各种性能，如流量、扬程、功率、效率等，而且还能反映泵内流场细节，便于模型的优化。本研究的意义在于，在没有125SII泵的几何图纸的情况下，运用相似理论从71SII泵的几何模型推得125SII泵的几何模型，据此在方案设计阶段可对新设计船进行快速性预报。结果表明，对由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵模型进行CFD计算所得的不同转速下的功率与由71SII泵的试验P－n曲线通过相似换算所得的各转速下的功率，两者之间的相对误差在7%以内，这表明由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵几何模型及相关的数值模拟是可信的。

喷水推进泵；相似定律；CFD；性能预报

1 引言

与传统的螺旋桨推进相比，船舶喷水推进具有机动性和操纵性好、适合浅水航行、振动噪声小、水声信号低、高航速时效率高、抗汽蚀能力强等优点［1-2］。众多的优点及近20年来喷水推进技术的快速发展和不断完善，使得喷水推进技术在国际船舶市场（尤其是高速高性能舰船领域）的应用日益广泛，在军用领域的应用也取得了重大进展［3］。未来在高速船领域内，对喷水推进装置的需求必将扩大，而增大功率，提高效率，减轻重量，将成为喷水推进装置的发展趋势。随着整个系统的进一步优化，喷水推进将会更广泛地应用于各类船舶［4］。

国内某新型船舶拟采用从KaMeWa公司引进的125SII型喷水推进器。但目前国内掌握的与125SII喷水推进器相关的数据资料非常有限，也没有其几何图纸，这给该新型船舶的方案论证和初步设计的快速性预报带来了巨大困难。为了给该推进系统方案提供切实有效的技术数据，应探索有关方法对125SII喷水推进器流体动力性能进行数值模拟和性能预报。本文就是利用CAD和CFD相结合的手段［5］，运用相似理论以已经掌握的71SII型喷水推进泵为母型，对125SII喷水推泵进行数值模拟和性能预报研究。

2 SII系列泵几何相似性研究

国内已引进了KaMeWa公司71SII型喷水推进器的生产许可证，而125SII型喷水推进泵和71SII型喷水推进泵属于同一个系列。一般而言同系列的泵在几何外形上是相似的。因此，在缺乏125SII型喷水推进泵的几何参数的情况下，为对其进行性能预报，作者尝试采用71SII型喷水推进泵为母型，对125SII型喷水推进泵进行数值模拟和性能预报。本节对SII系列泵的几何相似性进行了分析。

根据KaMeWa公司提供的功率与转速曲线，先假定该系列泵几何相似，然后利用泵的相似定律从71SII泵的功率与转速关系推导63SII泵、80SII泵和90SII泵的功率与转速关系，再将理论计算值与试验值比较，分析SII系列泵之间是否具有几何相似性。在KaMeWa公司提供的功率—转速曲线上取点并用样条曲线拟合得到图1所示曲线。

得到 63SII、71SII、80SII和 90SII 4 种型号的泵在各种转速下的功率，如表1所示。

表 1 63SII泵、71SII泵、80SII泵和 90SII泵在各个转速下的试验功率值

在相似工况下，两台几何相似泵的性能可用相似三定律描述：

式中，Q为泵的流量；H为泵的扬程；P为泵的功率；n为泵的转速；D为直径；ην为泵的容积效率；ηk为泵的水力效率；ηm为机械效率。对于设计泵的参数用下标“p”表示，对模型泵的参数用下标“m”表示［6］。

试验研究的经验说明，在几何相似的前提下，两台工况相似的泵，设计泵与模型泵的水力效率和容积效率在相当精确的程度上可以认为是相等的；而设计泵与模型泵的机械效率，如果转速较高且相差不大时，也可以认为是相等的［6］。

在同一转速下利用相似定律进行换算，并且忽略效率的影响，认为换算过程中的模型泵与实型泵各种效率分别相等，则相似定律可简化为：

先假设SII系列泵具有几何相似性。以71SII泵为参考模型泵，在相似工况下，利用第三相似定律将71SII泵各个转速下的功率分别换算到63SII泵、80SII泵和90SII泵。即

在表2中列出了63SII泵、80SII泵和90SII泵在各转速下功率的计算值。

表2 63SII泵、80SII泵和90SII泵在各转速下功率的相似换算值

利用泵的第三相似定律经过换算得到63SII泵、80SII泵和90SII泵各转速对应功率的理论值，将其与在试验曲线上所取的相应值比较，分析该系列泵是否具有几何相似性。在表3中列出了3型泵各转速对应功率的理论计算值与试验值之间的相对误差。

由上述的结果分析可知，由71SII泵相似换算得到的80SII泵和90SII泵的功率值与试验值的相对误差很小，都在4%以内；由71SII泵相似换算得到的63SII泵在转速为500 r／min和600 r／min的功率值与试验值的相对误差分别为41.35%和15.23%，这是因为63SII泵是该系列尺寸最小的泵，在较低的转速下，其功率很小，因此会产生较大的相对误差；在较高转速时相对误差减小到3%以内。这说明SII系列泵的确具有几何相似性。

3 125SII泵的性能分析

泵的特性曲线即某一转速下的扬程—流量、功率—流量、效率—流量关系曲线，它们能够全面、综合、直观地反映一个泵的性能［6］。本文对125SII泵的性能分析主要就是从其在某一转速（接近设计转速）下的特性曲线着手。KaMeWa 71SII泵的设计转速约为880 r／min，对应的功率约为2 200 kW，而125SII泵的设计功率已知，约为6 600 kW，根据相似定律可算得125SII泵的设计转速约为：

据此，本文选取计算转速为500 r／min，为区别起见，称其为拟设计转速。

出于数据安全性的考虑，本节中将对125SII泵进行CFD计算所获得的性能参数除效率外进行了无量纲化处理，即将实际数值除以参考工况下的值，因此参考工况下的流量、扬程、功率的无量纲值均为1，流量、扬程、功率的无量纲值的符号均以其本身字母的小写表示。

现对拟设计转速下的125SII泵的性能进行数值预报。

3.1 几何建模和网格划分

由第2节的初步分析结果可知，SII系列泵具有几何相似性，所以可以利用CAD几何建模软件将根据几何图纸建立的并经过验证准确可信的71SII泵几何模型［7］直接等比例放大得到125SII泵几何模型，在SolidWorks软件建立125SII泵的几何模型如图2所示。

对流场进行流动性能数值计算之前，应进行网格划分，将流场区域分割成大量的网格单元。本文中，喷嘴和进口导流部分用ANSYS ICEM－CFD进行四面体网格划分。叶轮和导叶体部分采用专业的叶轮机械叶栅通道网格划分软件Turbogrid进行六面体网格划分。图3为泵体各部分网格生成以后的总效果图。

3.2 计算前处理

对离散后的区域进行数值计算前，还需进行前处理。前处理就是设定计算域的边界条件、模型各部分的物理属性、流体属性、湍流模型以及对计算过程控制的设定等，这是进行计算的前提条件。本文用ANSYS CFX软件进行数值模拟。对125SII泵进行性能预报时所取的计算域和边界条件如图4所示。

3.3 数值计算及结果分析

为了获得一个参考流量值，设置边界条件为总压进口和背压出口。转速设置为500 r／min。通过CFD计算得到此时的流量即为参考流量。在该流量左右各取三组流量值，七组流量的无量纲值分别为 0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 和 1.3， 对这 7 种工况进行数值模拟以期获得125SII泵的基本性能。在接下来的数值计算中，设置进口条件为流量进口，分别设定值为7组流量值；出口边界条件设为背压出口。转速设置为500 r／min。根据CFD计算所得的各流量点所对应的功率与扬程的无量纲值及效率作出125SII泵在拟设计转速下的的特性曲线，如图5、图6、图7所示。

由图7可知，在参考流量下效率最高，其值约为0.90，因此可认为参考流量即为设计流量。

对设计转速下泵特性曲线的分析：

由图5可知，扬程随流量减少而增加，没有出现驼峰，整体走势较好；由图6可知，当流量在设计值左右较小的范围内变化时，轴功率变化较小；由图7可知，只有在设计流量左右很小的范围内，泵的效率达到了90%，当偏离设计流量时，效率下降较快，特别是在流量为 18.2 m3／s时，效率只有67.20%。而喷水推进泵对效率要求很高，一般在90%左右。说明直接通过相似放大得到的125SII泵还需要进一步改进。

4 结果校核

由第2节的分析可知SII系列泵具有几何相似性，那么同样可以由71SII泵各转速下的功率通过相似换算得到125SII泵相应转速下的功率值。两种方法所得的各个转速下的功率值及相对误差如表4所示。

由表4可知，对由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵模型进行CFD计算所得的不同转速下的功率与由71SII泵的试验P－n曲线通过相似换算所得的相应各转速下的功率，其相对误差控制在7%以内。进一步比较两组数据可知，CFD计算功率值均小于相似换算功率值，这是因为在125SII泵的数值模拟过程中并没有考虑机械损失、摩擦损失和漏泄损失，而相似换算值是由试验值推算所得，包含了各种损失，因此CFD计算功率值要小于相似换算功率值，与实际相符。这表明由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵几何模型及相关的数值模拟都是可信的。

表4 CFD计算和相似换算所得的125SII泵在不同转速下的功率值及相对误差

5 结束语

本文在缺乏125SII泵的几何图纸及相关试验数据的情况下，以同系列的71SII泵为母型，以泵的相似理论为指导，利用相似换算的方法和CFD数值模拟的方法分别获得了125SII泵的性能曲线，两者之间的相对误差在工程许可范围之内，因此认为通过这两种方法均能较为准确地预报推进泵的外特性。后者利用CAD工具通过对已有的71SII泵几何模型等比例放大得到了125SII泵的几何模型，可以将它和进水流道、格栅、船体集成在一起进行CFD方法的快速性计算和预报，以用于船体型线改进和流道优化设计，更具实用性和工程应用价值。

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

［2］王立祥.船舶喷水推进［J］.船舶，1997（3）：45-52.

［3］王立祥.国外喷水推进技术发展概况 ［C］//喷水推进技术译文集.上海：中国船舶工业集团公司第708研究所，2005.

［4］刘承江，王永生，丁江明.喷水推进研究综述［J］.船舶工程，2006，28（04）：49－52.

［5］王福军，黎耀军，王文娥，等.水泵CFD应用中的若干问题与思考［J］.排灌机械，2005，23（05）：1－10.

［6］关醒凡.现代泵设计手册［M］.北京：宇航出版社，1995.

［7］曾文德，王永生，刘承江.喷水推进混流泵流体动力性能的 CFD 研究［J］.中国舰船研究，2009，4（4）：18-21.

Hydrodynamic Performance Prediction of KaMeWa 125SII Water-Jet Pump by CFD Analysis

Nie Pei－jun Wang Yong－sheng Li Xiang
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

This paper aims to predict the performance of 125SII water-jet pump which plans to install in a type of ship，based on the same serial products of 71SII pump by the Similarity Theory and in combination with CFD analysis and experimental data validation.The various performances of 125SII water-jet pump in terms of flow， head， power， efficiency， together with the details reflecting the flow field inside the pump were obtained by CFD analysis.The research is to highlight the feasibility of deriving the 125SII geometry model from the 71SII model as to rapid prediction of new design in the conceptual design stage， using the Similarity Theory， in the case of no design scheme of the pump.For deriving the model， 71SII geometry model was enlarged and relevant numerical simulation was performed.The powers at various rotating speed obtained from 125SII model by enlarging 71SII model in geometric proportion and CFD calculation were compared with those given by similarity transformation of the experimental rev－power curve of 71SII water-jet pump.The result shows that the errors are less than 7%.It demonstrates that the numerical simulation of the 125SII geometry model obtained by enlarging the 71SII water-jet pump in geometric proportion is credible.

water-jet pump；similarity theory；CFD；performance prediction

U664.34

A

1673－3185（2010）06－70－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.06.014

2009-11-25

海军“十一·五”预研项目

聂沛军（1986－），男，硕士研究生。研究方向：船舶喷水推进泵的设计。E-mail：niepeijun926＠126.com

王永生（1955－），男，教授，博士生导师。研究方向：舰船推进系统稳动态性能分析和舰船喷水推进