基于CFD的喷水推进器进水管道流场分析

熊高涵　高慧

摘 要：喷水推进器的效率主要有两个指标：水泵的推进效率和系统的损失效率。若想获得高效率的喷水推进器，必须要综合考虑两者，在两者之间找到一个平衡点。本文通过对喷水推进器进行进水管内的数值模拟，研究IVR（船速与进水速度比）对流场的影响。

关键词：喷水推进；进水管；流场数值模拟

中图分类号：U664.34 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0077-03

Flow Field Analysis of Water Inlet Pipe of Water Jet Propeller Based on CFD

XIONG Gaohan GAO Hui

（Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215600）

Abstract： The efficiency of water jet propeller has two main indexes： the efficiency of the pump and the loss efficiency of the system. In order to obtain an efficient water jet propeller， it was necessary to consider both of the two and find a balance between the two. Based on the numerical simulation of water jet pipe inlet， IVR （speed and inlet velocity ratio） on flow field.

Keywords： waterjet；inlet tube；CFD simulation

1 数值模型

喷水推进器进水流道中的流场为湍流，因而其质量、组分等运输量都不是保持不变的。本文之所以选取雷诺平均的处理方式，主要是因为想要模拟的真正流场对电脑性能要求超出了实际情况，所以最终选取了此方法。瞬时场可以拆分为时均场和脉动场之和，具体为：

[ui=ui+u′i ?=?+?] （1）

式中：[ui]为瞬时速度矢量分量，[ui]为时均速度矢量分量，[u′i]为脉动速度矢量分量；[?]为瞬时压力、流量等标量，[?]为时均标量，[?]为脉动标量。经过雷诺平均以后，得到N-S方程为：

[?ρ?t+??xiρui=0] （2）

[??tρui+??xiρuiuj=-?ρ?xi+??xj×μ?ui?xj+?uj?xi+23δij?um?xm+??xj-ρu′iu′j] （3）

式中：[ρ]为密度，[?]为扩散系数。

针对这样的N-S方程需要，如果不对[-ρu′iu′j]进行处理，则方程组很难封闭。

采用Boussinesq假定：

[-ρu′iu′j=μt?ui?xj+?uj?xi-23ρk+μt?ui?xjδij] （4）

这是在各项非异性的假设基础上获取的，[μt]的处理有许多办法，本文选用k-ε计算模型，通过两个方程：附加能量k附加方程、湍流耗散率ε附加方程来解决此类问题。分别如下：

[??tρk+??xiρkui=??xjμ+μtσk?k?xj+Gk+Gb-ρε] （5）

[??tρk+??xiρεui=??xjμ+μtσε??xj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε]（6）

式中，[ρ]为密度，[μt]为湍流黏性系数。

[ut=ρCμk2ε] （7）

在标准k-ε模型中，[C1ε]、[C2ε]、[Cμ]、[σk]和[σz]按照通常情况为常系数：[C1z]=1.44，[C2z]=1.92，[Cμ]=0.09， [σk]=1.0，[σz]=1.3。

在k-ε方程中，[Ck]是因為速度梯度而发生的湍流动能，能够由式（8）得出：

[Gk=-ρu′iu′j?ui?xi] （8）

[Gb]表示由重力加速度引起的湍流动能，能够由式（9）得出：

[Gb=βgiμtPrt?T?xi] （9）

式（9）中，[gi]是[g]在i方向上的重力加速度的分值；[Prt]为动能普朗特数，[Prt]=0.85；[β]为热传递系数[1-5]。

在k-ε方程中，[C3z]表示重力对[ε]的影响程度，能够由式（10）得出：

[C3ε=tanhvu] （10）

式（10）中，v是与重力方向平行的分速度；u是和重力方向垂直的分速度[6-10]。

2 数值计算

由于影响喷水推进器流道进口动量及动能的因素很多，如压力、边界层等，且其流体力学性能还与船体型线及实际工况有较大关联，因此，在做进水道数值模拟时需要考虑到其周边的流场，将其加入其中一起模拟。

以一个进水口为圆形的喷水推进器为研究对象，并假定进水速度V1为20m/s，在不同IVR下（IVR=0.56、1.0、1.4、1.7）模拟计算进水管内的流场。模拟中所用喷水推进器的几何参数如表1所示，数学模型见图1。

按照“线-面-体”原则对该体进行划分，进水流道与船底均采用非结构化网格。经检查，网格品质达到预期效果，计算速度较快且易于收敛[11]。

由于进水口形状和安装位置的原因，边界层对计算结果影响较小，所以在此忽略边界层。设定水流速度为船航速，设定进水口速度V1。根据所需泵的流量和管道的几何尺寸即可知道进入管道流体的速度，设为V2。流场控制体进口为流场控制体的除顶部和底部的其他四个面，喷口设为压力出口，流场控制体底部设为压力出口。弯管和流场控制体顶部设为壁面。此外，需设定两个流场体积域。

3 结果分析

本次航速为10～40m/s，将泵流量，即进水流速定为常数20m/s，模拟不同IVR条件下进水管内流场[12]。

通過对比不同IVR的计算结果可以发现，存在着使分离流动范围最小的IVR范围。

从计算结果可以看出：在IVR为0.56时，叶轮前和弯管处的速度分布不均匀，但随着IVR的增大，速度分布逐渐趋于一稳定速度。通过对速度分布的比较可以看出，流场的均匀性还会随着叶轮到弯管间的水平段距离的增大，流场分布逐渐趋于均匀。

图2是不同IVR工况下进水管中剖面的压力云图。流道空化性能包括两个方面的要求，一是要求流道本身内部不出现空化或空化不明显，二是要求流道出口流动的压力不能过低，以免影响喷泵性能。从图5可以看出，随着IVR增大，流道壁面压力下降，尤其是流道出口、斜坡和唇部存在压力陡降。将IVR取区间内不同值进行计算分析可以发现，当IVR=1.0时，唇部几乎没有压力降，此时不会产生空泡，抗空泡性能最好。

4 结论

本文运用CFD的方式模拟某喷水推进器进水流道流场，剖析了速比对流场的影响以及不同IVR情况下产生空泡的可能性，给出了不同IVR下的流场分布图，对进水管内流场进行数值预报，其研究结果如下。

①受船体边界层吸入以及流道弯曲的影响，流道出流速度是不均匀的。

②流动分离会发生在唇部区域，并且会降低流道效率，需要避免。同时存在着使流动分离范围最小的IVR。

③速度分布会随着IVR的增大而逐渐趋于均匀。并且叶轮前流场分布不仅和IVR有关，还会随着叶轮到弯管间的水平段距离的增大，而逐渐趋于均匀。

④随着IVR增大，流道壁面压力下降，尤其是流道出口、斜坡和唇部存在压力陡降。当IVR=1.0时，唇部几乎没有压力降，此时不会产生空泡，抗空泡性能最好。

因此，应该衡量各方面指标比重，确定最佳IVR，使得各方面性能都最好。

参考文献：

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[12]Bulten N， Esch B V. Review of Thrust Prediction Method Based on Momentum Balance for Ducted Propellers and Waterjets[C]// ASME 2005 Fluids Engineering Division Summer Meeting，2012.