基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计

靳栓宝，沈洋，王东，王永生，魏应三，胡鹏飞

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计

靳栓宝，沈洋，王东，王永生，魏应三，胡鹏飞

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

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。

船舶；喷水推进泵；进水流道；航速；优化设计；数值模拟

0 引言

随着计算机技术和数值计算模型的发展，数值试验方法已经被广泛应用于推进器的性能分析与优化，模拟精度也已达到工程认可的范围[1-2]。本文建立了“某轴流式喷水推进泵+进水流道+艇体”的数值模型，用计算流体力学方法（CFD）计算了其流体动力性能，通过后处理的数据分析找出了原喷泵和进水流道的设计缺陷。进而，运用喷水推进理论对喷泵进行选型，运用三元方法设计了所选型的混流式喷水推进泵，运用参数化设计方法设计了进水流道，再运用CFD方法计算并完善了混流式喷水推进泵和进水流道的性能。接着，再运用CFD方法计算并分析了“混流式喷泵+进水流道+船体”的推进性能，完成了快速性预报。然后，将喷泵和进水流道的数值模型直接用于产品生产，跨越了常规方法中的模型试验阶段。最后，对新设计的混流式喷水泵和进水流道进行装船试航，试航结果为新系统的实船最高平均航速高于设计航速9.4%。实船试航数据证明了所用数值设计和验证方法的有效性和可信性。本文是上述工程研究中所用方法的一个全面研讨。

1 某喷水推进器性能CFD计算与分析

利用基于中心节点控制和有限体积法的计算流体力学程序来求解RANS方程，采用SST湍流模型进行计算求解，其融合了k-ε和k-ω两种湍流模型，在自由流动区域使用k-ε模式，而在近壁面区域（y+＜2.5）使用k-ω模型中的低雷诺数公式，两者之间通过混合函数来过渡，这样可以不需要使用壁面函数，能够较好地模拟粘性底层的流动[3]。利用CAD软件（UG）构造该喷水推进器及船体的几何及数值计算模型，如图1所示，船底用平板简化代替。整个计算域采用混合网格，喷水推进泵采用六面体结构化网格（如图2），流道采用四面体网格，整个计算域网格节点数约450万。

图1 “喷水推进泵+进水流道+船体”的计算域示意图Fig.1 Calculation domain of the‘waterjet+inlet duct+hull’

图2 喷水推进泵表面网格Fig.2 Surface mesh of the waterjet model

进水流道作为喷水推进泵从船底吸水的过流通道，其水动力性能优越与否不但影响到流道内的流动损失而且也明显影响喷水推进系统对来流动能的利用以及推进系统的推进效率，也明显影响船底水流进入喷水推进泵的通畅程度和出流的质量从而明显影响喷水推进泵的抗空化性能和振动噪声性能[4]。本文利用数值计算后处理手段清晰地显示了在设计工况下该喷水推进器进水流道的流动情况，如图3所示，可以看出进水流道内流动紊乱，出现大面积的流动分离和漩涡，存在较大流动损失，这将严重影响整个系统的推进效率。

图3 流道表面和内部流线Fig.3 Streamlines of the inlet duct

本研究同样显示了装船后喷水推进泵内三维流线（如图4）以及第一级导叶中间截面的二维流线图（如图5）。可以看出,第一级导叶内流动紊乱，存在流动分离和漩涡。双级轴流式喷水推进泵第一级导叶的出流是第二级叶轮的进流，该轴流泵第二级叶轮是完全按照均匀无预旋来流设计的，这与实际情况不符。另外，该喷水推进泵第一级导叶整流较差既会降低第一级泵的效率，又会对第二级叶轮的进流产生不利影响，造成喷水推进泵总效率的降低。

图4 喷水推进泵内部三维流线图Fig.4 Three-dimensional streamlines in the waterjets

图5 第一级导叶中间截面流线图Fig.5 Two-dimensional streamlines on the middle section of the first stator

2 新型喷水推进器的设计及性能分析

2.1 喷水推进泵的设计

鉴于原喷水推进泵和进水流道设计存在着种种缺陷，本文对该快艇喷水推进器进行了重新设计。首先对喷水推进器主要参数进行选取，确定合理的设计指标，保证“船—泵—机”三者之间达到最佳匹配。选取喷水推进器主要设计参数的基本思路是：根据艇体阻力和主机参数，与船舶推进要求相结合，运用喷水推进理论来确定待设计的喷水推进器的主要设计参数：喷水推进泵的流量Qd、扬程Hd、转速nd、进口直径Din、喷口直径Dout、汽蚀余量NPSHd以及流道的出口直径等。

（1）喷水推进泵轴面形状及轴面网格

轴面流道形状对泵过流能力、水力效率和空化性能都有重要影响[5]，本研究在参考国外优秀水力模型的基础上，考虑实际装船后的尺寸约束绘制了该泵轴面形状，如图6所示，泵设计过程的轴面网格如图7所示。

图6 喷泵轴面形状Fig.6 Meridional geometry of the new waterjet

图7 叶轮和导叶数值计算网格Fig.7 Numerical mesh of the new waterjet pump

（2）喷水推进泵负载分布规律

运用三元不考虑粘性的反问题计算与全三维考虑粘性的正问题计算相互迭代方法对某混流式喷泵进行设计，设计过程快速、准确。三元反问题设计时把叶轮内三维流动分解为周向平均流动和周向脉动流动，周向平均流动方程直接由三维Euler方程作周向平均导出，周向脉动流动由Clebsch变换建立起控制方程；用置于叶片中心面上的涡来代替叶片对流场的作用，而叶片形状以满足流动边界条件迭代确定[6-9]。在计算出无厚度叶片中心面后，采用NACA系列翼型厚度分布规律对叶片进行加厚，最终设计得到喷水推进泵几何如图8所示。

2.2 喷水推进泵性能的数值计算与分析

裸泵数值计算域的大小及边界条件设置如图8所示，采用流量进口和总压出口边界条件，叶轮和轮毂设为相对静止壁面条件，泵壳设为绝对静止壁面条件。采用全结构化网格划分对该混流式喷水推进泵在额定转速、不同流量工况下的水力性能进行了计算,全通道网格节点数约180万。计算收敛后，为清楚显示喷水推进泵内部流动情况，利用数值计算后处理功能显示了喷泵内部三维的流线图（图9）可以看出推进泵内部流动基本未见紊乱现象，喷泵导叶出口处流线基本平直，导叶整流效果较好。

图8 新设计喷泵几何及数值计算模型Fig.8 Geometry of the new mixed-flow pump

图9 喷水推进泵内部速度流线图Fig.9 Three-dimension streamline in the new waterjet pump

图10 扬程、功率、效率特性曲线Fig.10 Head,power,efficiency curves of the new waterjet

图11 扬程-NPSH曲线Fig.11 Head-NPSH curve of the new waterjet

如图10所示，所设计泵扬程和功率均满足要求，在设计点工况下，在功率允许的范围内，效率达到了90.5%，并且在较大的流量范围内喷泵效率都在85%以上，高效区范围较宽。为校核该泵的空化性能指标，本文采用混合流体无滑移模型（也称为混合物均相流模型）对该泵的空化性能进行模拟，计算结果如图11所示，在设计转速下，计算得到该泵NPSH远小于设计指标，满足抗空化性能。

2.3 流道设计及流动性能分析与校验

进水流道是船底吸入水流传输给喷水推进泵的通道，其性能优劣直接影响到整个喷水推进器性能好坏。据报道，喷水推进器工作时有7%-9%轴功率损失在进水流道内[4]，高性能进水流道设计也是喷水推进器设计关键内容之一。本文根据选型得到的流道出口直径及船体的安装尺寸，利用参数化建模与流动性能CFD分析手段相结合进行流道优化设计。设计得到的流道主要几何参数和结构外形如图12所示，并采用数值的方法对流道流动性能进行分析和检验，计算得到该流道内部流线如图13所示，从图中可以看出该流道内流线光滑，流动通畅。另外，采用文献[10]提出的衡量流道出口不均匀度的公式计算了该流道的出口不均匀度，设计优良的流道不均匀度一般小于0.2，本流道不均匀度ζ=（其中：Q表示流道的流量，V表示某一点流道出口的轴向速度，Vp流道出口轴向速度的平均值），进一步验证了该流道流动性能优异。

图12 流道几何结构Fig.12 Geometry of the new inlet duct

图13 流道流线图Fig.13 Streamlines of the new waterjet

2.4 改进设计喷水推进器快速性预报及实船试航

采用数值计算的方法来预报新设计喷水推进器的推进航速，图14显示了“新设计喷泵+进水流道+船体”的计算域和边界条件设置。在喷泵最高转速时，将不同航速下计算得到的喷水推进器所能提供的净推力曲线和艇体曲线叠加，通过两曲线的交点来预报船的航速，如图15所示。数值预报得到新设计的混流式喷水推进器可达到的最高航速超过设计航速10.9%。为进一步验证改进设计的喷水推进器装船后性能，对其进行了实船试航，得到该推进器所能推进的最高航速超过设计航速9.4%，该结果说明了所设计泵的优异性能。另外，数值预报航速和实船试航航速误差在1.5%左右，也验证了数值模型的准确性和数值计算方法的有效性。

图14 “新设计喷水推进泵+进水流道+船体”的计算域Fig.14 Calculation domain of‘new waterjet+inlet duct+ hull’

图15 新设计喷水推进器快速性预报Fig.15 The velocity prediction of the hull propelled by the new waterjet

3 结论

本文探索了数值计算分析和数值试验方法的可行性。首先用CFD方法分析了“原轴流式喷水推进泵+进水流道+艇体”流体动力性能，找到了航速未达设计值的原因。然后采用三元的方法设计了重新选型得到的混流式喷水推进泵以及采用参数化设计方法设计进水流道，并运用计算流体力学方法分析各部件流体动力性能，接着用CFD方法分析“新混流式喷泵+进水流道+平板艇体”的流体性能并进行快速性预报。各部件性能和系统性能经判断认为满足设计要求后，将数值设计和校核所得到的混流式喷水推进泵和进水流道直接进行产品生产，跨越了常规方法所采用的模型试验。实船试航结果表明，数值设计和数值校核方法有效可行，所用的数值模型准确可信。本文工程案例具有方法学上的借鉴意义。

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Remodel design of waterjet with CFD and its sea trial

JIN Shuan-bao,SHEN Yang,WANG Dong,WANG Yong-sheng,WEI Ying-san,HU Peng-fei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

A‘axial-flow pump+duct+hull’system’s performance was calculated by solving RANS equations and SST turbulent model equations,and the faults of the waterjet design were showed by analyzing the fluid flow characteristic of waterjet pump.The new design parameters for waterjet were calculated based on the craft resistance curve and the main parameters of engine.Then the mixed-flow pump was redesigned by three-dimensional design method,and the duct was gained by parametric design method.The performance of the new waterjet was calculated by CFD method,which indicated that the pump and inlet duct had excellent performance,and the desired craft speed was well satisfied.Finally,the self-propulsion test of the ship with remodeled waterjet was carried out,the maximum speed of the ship exceed the design speed by 9.4%,and the calculated speed of the ship from CFD agrees well with test data with the error of 1.5%, which validates credibility of the numerical model and the design method.

ship;waterjet;inlet duct;ship speed;optimal design;numerical simulation

U664.34

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.11.003

1007-7294（2015）11-1312-06

2015-05-12

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51309229，51307177，51409256）

靳栓宝（1983-），男，博士后，E-mail：hjgcjin@163.com；

沈洋（1983-），男，讲师。