基于仿生翼型喷水推进泵内流场特性研究

苏晓珍,宋 飞,解文辰,常海燕, 王 璐

(1.安徽建筑大学 城市建设学院, 合肥 230001; 2.合肥恒大江海泵业股份有限公司， 合肥 230001)

喷水推进器是船舶、水下滑翔机等重要军事设施的核心驱动部件.喷水推进器的喷射方式与普通螺旋桨不一样，螺旋桨是通过喷出水流获得能量，而喷水推进是靠反作用力[1-2].在诸多推进装置中，喷水推进装置应用最广泛.但是喷水推进泵一般为敞口轴流泵或混流泵，在实际运行过程中很难保证运行工况与设计工况相同，进而使效率指标、噪音指标等大幅度下降[3-4].因此，更新设计方法，优化关键性几何参数，保证喷水推进泵在最高效率点运行，这对其降噪、增效具有重要作用[5-6].

海洋生物和淡水生物中鱼类(鼠尾鳕科、柴鱼、剑旗鱼等)外形可以看作为简单的翼型结构，这对喷水推进泵叶片设计及其性能优化具有重要参考价值；另外，经研究发现：鱼类表面鱼鳍具有减小水阻和减低噪音的功效，这也为喷水推进泵水力设计及叶片表面处理提供丰富材料.文献[7]中利用海豚皮肤构造，设计了一种具有实际工程应用价值的耦合仿生功能表面，将其应用到离心式水泵的叶轮上，进行水泵效率的试验.通过分析得知，当海豚快速游动时，随着阻力增加，海豚光滑表皮、具有弹性的皮下组织、纤维结节形成优异的耦合状态，这种耦合状态可以有效地减小阻力[8-11].

本文用仿生学原理，开展喷水推进泵内部流场特性的研究，采用数值模拟和模型实验相结合的方法，对基于仿生翼型设计的喷水推进泵叶轮水动力特性进行研究，并与传统的NACA4410和791翼型得到的叶轮进行比较分析，探寻不同翼型下的内部流场特性[12-13].

1 鲟鱼翼型的建立

鲟鱼的进化历史久远，亿万年前就有其踪迹，在日复一年的优胜劣汰下鲟鱼身体结构已经进化到最适合水下活动的状态[14-15].本文利用鲟鱼身体的外形曲线，设计基于鲟鱼外形结构的仿生翼型，并对鱼嘴附近的仿生翼型骨线进行局部调整，借助CFD技术分别对结构下的仿生翼型进行水动力特性分析，以期获得较为优越的仿生翼型.

1.1 三维扫描

本文选择了体型大小不同的三条鲟鱼作为研究对象，为了得到鲟鱼外结构的精准参数，采用先进的3D激光扫描仪，通过非接触式扫描准确率可达到99.97%.利用缺氧技术使鲟鱼自然死亡，外结构不受损坏的情况下放在专用扫描平台上，将伸展的鲟鱼固定，并在其周围放置好专用的采集数据贴片，如图1所示.

本文利用Geomagic Design X逆向工程软件技术，将扫描得到的点云数据导入，数据处理后即可得到图2的三维模型.

图1 鲟鱼扫描照片Figure 1 Sturgeon scanning photography

图2 扫描以及处理后的鲟鱼实际三维模型Figure 2 Actual 3D model of sturgeon after scanning and processing

1.2 翼型建立

鲟鱼三维模型中还包含了自身的鱼鳍和鱼尾，为了建立翼型要获其外形曲线.首先建立坐标系，设定鲟鱼吻突顶尖为坐标O点，鱼长方向为坐标系X轴，为了得到更精准的数据，将鱼身等分为20等份取点如图3所示，以OX轴为分界线把鲟鱼分为上半部分和下半部分，上下部分各得到20组控制点坐标，对40个控制点进行无量纲化.

建立两个坐标，鲟鱼上半部分设定成(xs,fu(xs))，下半部分设定成(xs,fl(xs))，f(x)为纵坐标，最后，采用最小二乘法对无量纲控制点进行拟合.无量纲化的变量之间的关系定义如下：

|fl(xd)|=fl(xi)/δmax

|fu(xd)|=fu(xi)/δmax

其中：fl(xi)为xi点处的翼型下骨线到翼型弦长的坐标，fu(xi)为xi点处的翼型上骨线到翼型弦长的坐标，δmax为翼型最大厚度.C为鲟鱼模型的弦长.

图3 鲟鱼模型坐标系及坐标点Figure 3 Sturgeon model coordinate system and coordinate points

2 计算结果及分析

2.1 模型的建立

为了更好的比较仿生翼型在水力机械上的优越性，本文在保证其他参数不变的基础上改变叶轮叶片截面翼型几何结构，即保证喷水推进泵叶片压力面不变，叶片各截面分别采用仿生翼型(FSY翼型)、NACA4410翼型以及791翼型进行加厚.其几何结构图如图4所示.

图4 不同翼型结构的喷水推进泵叶轮Figure 4 Impeller of water jet propulsion pump with different airfoil structure

2.2 水力性能曲线比较

图5为3种不同叶轮下喷水推进泵水力性能，其中图5(A)横坐标代表实际运行流量和设计流量的比值，纵坐标代表实际计算扬程与设计扬程的比值.从图中可以看到，无论是流量扬程-曲线还是流量-效率曲线，3种方案下外特性曲线变化趋势相同.通过图5(A)可以看出，叶片截面为仿生翼型(FSY)的方案下(为了便于表示简称该方案为FSY方案)泵扬程最高，约为设计扬程的1.5倍.从叶片设计角度考虑，FSY方案下最优.

图5(B)从流量效率角度出发，在设计工况下，叶片截面为FSY方案泵效率最高，NACA4410翼型的叶片方案(为了便于表示简称该方案为NACA4410方案)效果次之，791方案效率最低.总体上来看，FSY方案泵高效区相对较宽，791方案和NACA4410变化趋势相当.仿生翼型方案能够获得与NACA4410方案和791方案更优的水力性能.

图5 不同叶轮下泵外特性曲线Figure 5 Pump external characteristic curves with different impellers

2.3 泵内部流动特性分析

图6是在Blade-to-Blade为0.5时，不同方案下喷水推进泵在设计工况下，稳定运行时叶轮与导叶间的静压分布，整体上来看，3种方案下叶片压力面静压分布相对较为均匀.然而在叶片吸力面附近均会出现局部低压区，随着方案的不同，该低压区的大小和范围将会发生很大的变化.通过查阅大量研究成果可以发现：喷水推进泵叶片旋转产生扬程的根本原因是叶片压力面与吸力面间的压力差，且压力差越大、所产生的升力就越大泵的扬程就越高.

图6 设计工况下稳定条件下叶轮与导叶间的静压分布Figure 6 Static pressure distribution between impeller and guide vane under stable design condition

比较3种方案可以得到，FSY方案附着在叶片附近的低压区最大，上压力面与下吸力面压差大；NACA4410方案低压区附着在叶片表面的范围较大；791翼型则会形成两个局部低压区，附着在叶片附近的范围最大，但与FSY方案相比压差略小，这也是FSY方案扬程最高的根本原因.

在设计工况下，FSY方案湍流动能发展相对较小，一般在叶片最大厚度附近湍流动能开始发展，随着叶片的旋转，湍流动能不断向叶片出口发展；NACA4410和791方案均具有类似的变化规律，但是相比较于FSY方案，它们的湍流动能区域较大，湍流动能变化较为剧烈的点发生了后移(向叶片出口方向转移).

图7 不同方案不同工况下叶轮内部湍动能分布Figure 7 Distribution of turbulent kinetic energy inside impeller under different schemes and working conditions

图8为不同方案下叶轮内部速度矢量图，从图8中可以看出，叶片压力面速度分布较为均匀，吸力面出现速度不均匀现象.在小流量工况下，吸力面进口附近速度矢量较为混乱，且易出现回流现象，在设计工况和大流量工况下速度矢量相对较为均匀.比较三种不同方案可以看出，FSY方案在叶片吸力面附近的存在小范围的局部高速区，与其他方案相比速度矢量分布均匀，内流场分布最为合理，这也是该方案下泵扬程最高的因素之一.

图8 不同方案下叶轮内部速度矢量图Figure 8 Velocity vector diagram inside impeller under different schemes

3 试验结果与分析

为验证数值模拟的可靠性，本文试验在具有一级精度的闭环式工作台上进行如图9所示，建立了实现仿生翼型水动力特性测试和喷水推进泵水力性能测试的小型水洞实验室，并以优化后的三维仿生翼型为研究对象，对其性能进行了测试.基本试验装置由HLT-131B型电机、HLT-138型扭矩仪、LDX186A1S2G2C51GP型压力计、数显式电磁流量计、D71X-16型进口阀和出口阀组成.

图9 实验装置现场实际图Figure 9 Actual field diagram of the experimental device

图10是泵水力性能的数值模拟和试验结果的比较.从图10中可以看到，计算结果与数值模拟结合变化趋势相同，其中在设计工况下泵计算扬程为0.415 m，与试验扬程(0.40 m)相比，误差为3.75%；计算效率为58.03%，与试验效率(55.32%)相比，误差为4.90%，其他计算工况的计算精度均能满足工程应用的要求.

图10 数值模拟和试验水力性能对比Figure 10 Comparison of hydraulic performance between numerical simulation and test

4 结 语

本文采用仿生技术，通过数值模拟和模型实验相结合的方法，对仿生翼型设计的喷水推进泵叶轮水动力特性进行研究，并与NACA4410和971翼型进行比较分析，结果表明：

1)通过水力性能曲线可知，叶轮截面翼型为FSY翼型时，其扬程最高，效率曲线与截面翼型为NACA4410和791翼型相比最优，也就是说，仿生翼型方案能够获得比NACA4410方案和791方案更优水力性能.

2)从内流场特性角度出发，FSY方案附着在叶片附近的低压区最大，上压力面与下吸力面压差最大，效率最高；FSY方案湍流动能发展相对稳定，速度矢量分布最为均匀，能量损失最小.

3)仿生翼型模型叶轮实验测试结果与数值模拟结果相对误差较小，满足数值模拟计算误差要求.结果说明，本文仿真翼型叶轮的研究方法在喷水推进泵模型优化上具有一定的可行性和实际应用价值.