喷水推进器进水流道及其格栅的优化设计研究

王绍增，王永生，丁江明

（海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033）

喷水推进器进水流道及其格栅的优化设计研究

王绍增，王永生，丁江明

（海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033）

针对国内某型喷水推进快艇试航中航速未达设计值的问题，采用CFD数值实验的方法对该艇“船+喷水推进泵+进水流道+格栅”流场进行了数值计算，通过结果分析得到了该艇进水流道的设计缺陷。该研究从流道进水口、格栅、流道出口直径、背部曲线四个方面对进水流道进行了优化改进。优化后的系统“船+喷水推进泵+新进水流道+格栅”流场数值计算结果表明,进水流道优化后船的航速、推进效率等推进性能指标都得到了提高，使该艇在加装8根格栅的情况下能达到并超过设计航速。研究结果表明，喷水推进器进水流道及其格栅的性能会对船舶推进性能产生显著影响。

船舶；喷水推进；推进性能；进水流道；格栅；数值模拟

1 引 言

船舶喷水推进器主要由喷水推进泵、进水流道、格栅等部件组成。进水流道是喷水推进器的重要部件之一，其主要功能是将船底来流及其能量传送给装在尾板上的喷水推进泵，它对来流能量的利用率将直接且显著影响着整个喷水推进系统的效率[1-3]。对于经常航行在海况复杂或浅水区的喷水推进船舶，格栅作为重要的保护构件安装在进水流道的入口处，以有效防止木头、石块等杂物吸入喷水推进泵内影响推进装置的正常工作[4]。但加装格栅后必然会增加流动损失从而降低船舶的推进性能。文中通过一个实例来说明带格栅的进水流道性能（流动损失、流量、出口流场均匀性等）对喷水推进性能的这种影响。

本文以国内某喷水推进高速巡逻艇为研究对象。由于进水流道中安装了8根格栅，该艇在实船试航时实测航速只达到设计值的97.8%。设计厂家为了使航速达到设计值，从8根格栅（间距25 mm）减至6根格栅（间距34 mm），实船试航航速刚刚达到设计值。但带来的问题是浅水航行时较大尺寸的鹅卵石容易吸入，这对喷水推进泵叶轮的可靠安全工作不利。

本文从改进进水流道吸入口、改变流道几何结构两个方面来提高进水流道的流动性能，从而得到了完善后的喷水推进系统仍然安装8根格栅的情况下该艇航速仍可达到并超过设计值。这个研究结果说明，喷水推进器进水流道及其格栅的性能对船舶推进性能会产生显著影响，方案设计阶段务必精心设计和优化。

2 喷水推进系统的数值模拟

2.1 控制方程及湍流模型

喷水推进系统的流场是复杂的粘性不可压湍流流动，它的速度、动量等都是低尺度、高频的波动量[5]。本文采用目前工程上应用最为成熟和广泛的雷诺时均方法进行数值计算，把湍流运动看作时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加[6]。将基本的N-S方程引入Boussinesq假设得到的流动控制方程组为

图1 计算域及网格划分Fig.1 Computational domain and mesh grid

2.2 计算模型及网格划分

进水流道的基本几何尺寸有：出口直径275 mm，流道高度410 mm，流道纵向总长度1 160 mm，流道过流总体积0.062 5 m3。计算域包括“船+喷水推进泵+进水流道+格栅”（如图1（a）），将喷水推进泵的叶轮直径记为D，则计算域按文献[7]推荐取长、宽、深分别为30D、10D、8D。推进泵的网格划分采用六面体结构化网格，近壁面采用O型网格并进行了加密；船下的水体、流道及格栅采用四面体网格。整个计算域网格单元数约为540万，y+控制在200以内。在流动变化剧烈区域，如唇部、弯管和流道与船底相交处进行了网格加密，第一层网格距壁面0.2 mm。

计算域上游进口设为速度进口，速度大小及梯度分布受航速及边界层的影响。根据Svenssen和Grossi对喷水推进船实船的测量结果[8]，边界层厚度 δ可采用Wieghardt公式近似求取δ=0.27·x·（Re）-1/6，其中x为距船首的距离，Re为雷诺数。速度分布采用平板边界层速度分布表示[9]：

其中：V为边界层内流速，Vs为船的航速，δ为船底边界层厚度，y为距船底的距离，指数n取为9。

下游的出流面和泵的出口设相对静压为环境压力。采用稳态多参考系法（MFR）处理旋转叶轮与静止域的数据交换问题，设叶轮叶片及轮毂为相对静止无滑移壁面。

2.3 计算结果与分析

对该艇“船+喷水推进泵+进水流道+格栅”系统进行了数值模拟。在设计工况时（将此时的航速记为Vs0，主机转速记为n0）计算所得的流场分布如图2。

图2 设计工况时系统的流场分布Fig.2 Flow distribution in the system at design condition

由图2中的流线和速度分布可知，该流道设计主要存在四个缺陷：一是格栅的存在使流通面积减小，流量减小，IVR（其定义见（3）式）偏小，流道工作在分离区（图 2（a）、（c））；二是流道背部有大量漩涡，背部流动分离严重（图 2（b））；三是经计算该进水流道的效率只有77%，流动损失很大；四是流道背部与船底的过渡不光顺，曲率变化很大使背部产生较大的压力梯度。前两个缺陷的主要原因是工况偏离额定工况，在主机达到额定转速时喷水推进系统未能达到额定工况。后两个缺陷的主要原因一是存在8根格栅，二是流道几何结构没有达到最优。

图3 无量纲裸泵外特性曲线Fig.3 Non-dimensional performance curve of pump

其中：Vout为流道出口的平均速度，Vs为航速，Q为体积流量，D为流道出口的直径，d为叶轮轴直径。

消除前两个缺陷的措施是增大设计工况时的IVR。由IVR的定义（（3）式）可知，要增大IVR可以增加流量或减小流道出口直径，而增大流道的流量首先需要分析喷水推进泵的性能。厂家提供的无量纲裸泵外特性曲线如图3所示，该工况的流量（直线1）位于裸泵设计点（直线0）的左侧，适当增加流量会使泵的效率增加，但流量的增加幅度不能太大，过大会使泵的功率和扬程下降较大，因此流量的最大值不能超过裸泵设计点的流量。由于流量的增大有限，要使工作点脱离分离区必须减小流道出口直径。

消除后两个缺陷的措施是优化背部曲线形状，使流道背部与船底的过度光顺，使曲率变化最小。

3 新进水流道的设计和优化

新进水流道的设计根据是消除该流道存在的缺陷并制定优化方案：一是通过增加进水口的面积来增大流量，二是减小流道出口直径以增大IVR，三是优化背部曲线的形状以减小曲率的变化。

3.1 进水口的设计

进水口是流体进入喷水推进器进水流道的入口。在航速一定的条件下，进水口的形状和面积的大小决定了进入流道的流体流量的大小。本文的具体措施是将进水口宽度由275 mm增加到295 mm，长度由655 mm增加到1 080 mm（如图4），并将原来的椭圆形进水口改成国际上应用最广的“半椭圆+矩形”进水口。

图4 进水口优化示意图Fig.4 The optimization of the duct’s inlet

3.2 格栅的设计

为了适应进水口宽度方向的增加，格栅的间距由25 mm增加到28mm（如图5（a））。为了使格栅中间加强筋与来流的速度方向一致，将其中线与水平面的夹角（倾角）从38°减小到25°（如图5（b））以避免流体流经格栅时产生不必要的涡流损失。

图5 格栅优化示意图Fig.5 The optimization of the grids

3.3 流道出口段的设计

原流道出口直径，即泵的进口直径为275 mm。经过计算当流道出口直径减小到250 mm时，IVR增加到0.56，此时基本脱离分离区。为了实现与泵的进口对接，中间需要加一段过渡段。此过渡段太短不能实现光顺过渡，太长将会增加纵向距离，本文将此过渡段的长度取为30 mm（如图6（a））。

3.4 背部曲线的设计

背部曲线的设计使背部曲线与船底相切，同时曲率减小到最小。所得几何形状与原流道对比参见图 6（b）。

图6 流道出口和背部曲线优化示意图Fig.6 The optimization of the duct’s outlet and the ramp curve

4 优化后系统的计算结果分析

通过对进水口、格栅、流道出口段和背部曲线的优化，得到了新的进水流道及格栅。仍用原来的喷水推进泵和船体，组成了“船+喷水推进泵+新进水流道+8根格栅”的系统。计算工况仍取为航速Vs0，主机转速n0。对其进行数值模拟，所得到的流场如图7。

图7 设计工况时新系统的流场分布Fig.7 Flow distribution in the new system at design condition

经计算，改进后的进水流道的流量为528 kg/s，流道效率为85%，流道出口的不均匀度为0.196 6。对于喷水推进泵来说，流量528 kg/s小于设计流量539 kg/s但比原先512 kg/s更加接近设计流量，实现了泵效率的提高，同时使泵的扬程和功率不会下降太大。计算得到此时泵的功率为250.5 kW，小于设计时泵的吸收功率262 kW，说明主机能够带动泵在该工况下运行。因此流量的增加提高了泵的性能。

下面用数值方法对优化后的喷水推进系统进行快速性预报。分别计算了三个航速Vs0、1.029Vs0、1.057Vs0的流场，在后处理中用壁面积分法求取推力，将这三个点的推力值叠加到厂家提供的船的阻力曲线上，并将这三个点连成一条曲线，它与阻力曲线的交点即为预报航速。同理可得原系统的推力曲线和预报航速（如图8）。

由图8可得，在不考虑推力减额的情况下，数值计算新系统的预报航速约为1.043Vs0。参照原“船+喷水推进泵+进水流道+8根格栅”系统航速预报的偏差值，假设预报误差仍偏高1.8%，则实际航速约为1.024Vs0。这表明流道优化后的航速已经达到并超过设计航速。将加装8根格栅时进水流道优化前后各部件及推进系统的性能对比列表如下（表1）。

由表1的计算结果对比可知，进水流道的优化能提高船舶推进性能，本例中航速增加了5.4%，泵的收到功率下降了0.2 kW，总推力增加了0.6 kN，推进效率增加了5%。

表1 进水流道优化前后的性能对比Tab.1 Performance comparison between before and after optimization

图8 流道优化后的航速预报Fig.8 Speed forecast after the optimization of the inlet duct

5 结 论

（1）进水流道优化后能够显著提高船的航速、推进效率，使加装了8根格栅的该艇仍能达到并超过设计航速。

（2）在进行进水流道优化时，合理调节流道的流量可以使推进泵的工作点偏向高效区，从而提高推进泵的效率。合理调节流道流量的原则是保证进水口在加装格栅后仍有充足的流通面积，具体措施是采用合理的进水口形状、增大进水口面积。

（3）消除进水流道流动分离的方法是提高IVR，主要措施是适当增大流量和减小流道出口直径。为了与泵的进口对接可加一段过渡段以使过渡光顺。

（4）提高流道效率的方法是减小格栅引起的流动损失和流道进口处水流的偏折损失，具体措施是保持格栅加强筋的倾角与来流速度方向一致，使流道背部曲线与船底过渡光顺以减小背部曲线曲率的变化。

[1]Allison J L.Marine waterjet propulsion[J].SNAME Transactions,1993,101:275-335.

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[3]Bulten N W H,Verbeek R.Design of optimal inlet duct geometry based on vessel operational profile[C]//Proceedings of the Seventh International Conference on Fast Sea Transportation Conference.Ischia,Italy:University of Naples,2003:35-40.

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[9]张 拯,王立祥.关于喷水推进装置平进口边界层影响系数估算的探讨[J].船舶,2008(3):10-14.

Study on the optimization design of duct with grid of waterjet propulsion

WANG Shao-zeng,WANG Yong-sheng,DING Jiang-ming

(College of Naval Architecture and Marine Power,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

A type of domestic waterjet boat did not reach the design speed in the first sea tial.The flow field of“ship+pump+duct+grid” of this boat was calculated by CFD method,and then the defects of the duct was analyzed.After the optimization of the duct,grid,outlet diameter and ramp curve,the new system of the “ship+pump+duct+grid” was calculated and compared with the original system.The research result indicates that the propulsion performance of the improved duct,such as ship speed and propulsion efficiency,is increased,which makes the new waterjet propulsion system with 8 grids exceed the design ship speed.The result proves that the waterjet duct with grid has a great effect on the propulsion performance of marine waterjet.

ship;waterjet;propulsion performance;inlet duct;grid;numerical simulation

U664.34

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.04.001

1007-7294（2014）04-0357-06

2013-04-12

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51009142）

王绍增（1983-），男，硕士研究生，研究方向为船舶喷水推进技术，E-mail:wangshaozeng007@163.com；

王永生（1955-），男，教授，博士生导师； 丁江明（1976-），男，博士，讲师，E-mail:goodluckdjm@sina.com。