喷水推进泵非均匀进流研究进展

李伟，杨震宇，施卫东，李恩达，季磊磊

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，江苏 镇江 212009； 3. 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

喷水推进装置是一种利用水流的反作用力来获得推力的动力装置.在高速船舶、潜水艇上得到了广泛的应用[1-3].ITTC定义的典型喷水推进动量传递模型如图1所示，液体经进水流道进入叶轮，在导叶的作用下到达喷口处.然而，受进水流道结构影响，流道内流体出现明显的速度与压力梯度，液体流动状态发生改变，进而引发旋转失速、空化等失稳问题[4-5].近年来，对非均匀进流的成因已有一定的研究，但对其造成的影响分析还不够透彻.液体通过船底边界层时，会出现流动不均匀现象，流道底部速度高于顶部，进而引发流动分离，影响装置的稳定性[6].

图1 喷水推进器理论模型

由于喷水推进器的试验较为复杂且成本很高，国内外学者针对非均匀进流的研究主要采用数值模拟的方法[7-10].结合本课题组前期研究成果，文中分别从喷水推进泵非均匀进流的描述与评价、非均匀进流的主要成因、影响非均匀进流的关键因素、非均匀进流的不良影响等4个方面总结非均匀进流的研究现状，并提出喷水推进泵非均匀进流需要进一步研究的内容和方向.

1 非均匀进流的描述与评价

喷水推进泵在运行过程中，受进水流道以及驱动轴扰动的影响，在进口流面处会出现速度与压力分布不均匀的现象.由于进水流道的上曲面与下曲面的曲率不同，在进口流面处，上壁面速度低于下壁面速度，速度具有周向不均匀性.同时流动产生的惯性力会发生变化，打破原本的平衡，横向压力发生变化，诱发二次流并与主流叠加，形成复杂的螺旋运动.

HU等[11]通过数值模拟的方法对推进水泵进流面的进流状态进行分析.BRANDNER等[12]通过试验的方法对推进水泵进流面进流压力的分布进行了深入分析.DUERR等[13]通过对进流的仿真也得到类似结果.本课题组[14]针对20 m/s航速下混流式喷水推进泵运行状态进行模拟，获得泵进流面压力分布，如图2所示，在混流式喷水推进泵进口截面处会出现径向速度与压力分布不均匀现象，受驱动轴影响，流体流向改变，形成复杂的涡旋结构，并引发流动分离，形成分离涡.

图2 高航速下喷水推进泵进流面压力与速度分布云图

为了定量分析流面速度的变化，魏应三等[15]定义了速度不均匀度系数ξ，并发现不同进口速度比下，喷水推进泵进口截面处不均匀度也会发生改变.

(1)

BULTEN[16]通过试验方法对可能影响不均匀度的因素进行研究，并比较了不同运行条件下ξ值的变化，即

(2)

式中：v为局部轴向速度，m/s；vpump为平均轴向速度，m/s.

喷水推进器通过水流反作用产生的动量来推进航行，CHESNAKAS等[17]提出利用动量和能量不均匀系数来分析进流的不均匀性，即

(3)

(4)

对于喷水推进泵而言，总压过低的区域可能严重到足以导致转子负载不稳定或发生空化现象.DUERR等[13]引入涡轮发动机中的周向总压畸变指数DC60来量化喷水推进泵进流不均匀度，该指标本质上用于查找圆周方向上的最差区域.

(5)

式中：ptot60和ptot360分别为过流断面60°和360°区域内的平均总压；v0为船舶航速.

2 非均匀进流的主要成因

2.1 驱动轴的扰动

在喷水推进器运行过程中，驱动轴周围具有明显的压力梯度，在压差的作用下，流体流向改变，形成复杂的涡旋结构，并引发流动分离，形成分离涡，导致喷水推进泵入口处进流不均匀.HU等[11]对喷水推进器进水流道内的流场进行研究，通过模拟喷水推进器在不同航速下的工作状态，对驱动轴扰动造成的影响进行分析，发现驱动轴的存在是造成进流不均匀的重要原因.在唇缘区域附近和管道出口处，进流状态会发生剧烈变化，而驱动轴旋转状态下，当雷诺数较小时，旋转轴对进流管输出流量的影响很大，但是随着雷诺数的增大，该影响变小.同时，随着速度比IVR的减小，进流管出口处(即叶轮入口)的流场变得更加均匀.SEIL[18]发现没有驱动轴时，叶轮进口处流动状态更为稳定.刘瑞华等[19]取消驱动轴的存在并通过齿轮进行驱动，发现该种方式下喷水推进泵的运行效率更高.

2.2 边界层厚度

受船底边界层影响，进水流道斜坡处发生流动分离，并出现大面积的涡旋结构，在喷水推进器进水流道处出现显著的流动分离现象，并在喷水推进泵进流面形成周向不均匀分布的非均匀进流.BRANDNER等[12]对喷水推进器进水流道进行了试验，研究了边界层厚度对进流的影响，发现边界层厚度的增加明显减少了坡道边界层的分离和泵表面流动的畸变，但随着边界层的加厚，空化发生的可能性也随之增大.ROBERTS等[20]通过风洞试验对边界层的影响进行了进一步验证.

2.3 进水流道结构

PARK等[21]对进水流道内流场进行PIV试验，发现较低的船速下，进水流道唇部处更容易出现流动分离现象，并导致空化的产生.BRANDNER等[12]通过试验也发现了空化现象.BULTEN[16]对喷水推进器进行全流场仿真时发现，进水流道尺寸结构是导致非均匀进流现象的重要原因.DUERR等[13]在BRANDNER[12]和BULTEN[16]的研究基础上，综合分析了非均匀进流的成因：① 受船底边界层的影响，喷水推进泵TDC(上止点，即泵运行位置的最顶端)附近的轴向速度降低；② 轴尾流导致TDC附近的轴向速度不足，同时，驱动轴的旋转将赋予流体一个旋转分量；③ 弯管导致的二次流动.

综上所述，进水流道结构、驱动轴扰动、船底边界层以及航速是导致进水流道内部形成非均匀进流的重要原因.同时航速的提高会导致进流不均匀性进一步恶化，使得泵内部流动更不稳定.

3 影响非均匀进流的因素

船舶运行过程中，受驱动轴扰动、船底边界层厚度及进水流道结构影响，导致喷水推进泵进口处流动不均匀，除此之外，在以往研究中发现不同的进口速度比IVR以及船舶航行速度下，喷水推进泵进口截面处速度与压力的周向分布不均匀性更加明显，进流的不均匀度也会发生较大的变化.

3.1 进口速度比IVR

BULTEN等[16]通过改变船与泵的进口速度比IVR对进水流道内流动情况进行研究，进口速度比IVR计算式为

(6)

式中：v0为船舶航速，m/s；v2为进水流道入口平均速度，m/s.

BULTEN等[16]发现喷水推进器在相对较低船速下运行时IVR会小于1，这表明在进入进水流道时液体流动速度会加快.此时，分流管线的停滞点位于进水口的船体一侧.这可能会导致唇部上侧入口处发生汽蚀或流动分离.如果船舶以设计速度航行，IVR值将大于2.0，这表明在进入进水流道时，液体流动速度会减缓，此时，停滞点位于进水口的入口侧，而汽蚀位置位于唇部的船体一侧，进水流道中流体的减速会导致进水流道中压力梯度下降.如果此压力梯度太大，则可能在入口顶部发生流动分离.

王洋等[22]在对轴流式喷水推进泵的研究中同样发现，不均匀度ζ可以用来评价喷水推进泵的进流品质.DUERR等[13]在对进水流道转弯工况下出口质量进行评价时，发现不均匀度ζ同样适用.成立等[23]发现IVR可以用于进水流道设计参考.李恩达[14]前期研究获得了不同航速下进口速度比IVR以及不均匀度ζ，发现当IVR增加时，喷水推进泵进流不均匀度也随之增加.进流面顶部分离涡尺度逐渐变大，分离涡处流体速度明显降低，进流分布不均匀度变大，喷水推进泵进流状态急剧恶化.而当IVR值较低时，进流不均匀度较低，进流品质相对较好，该结果与BULTEN[16]研究内容相一致.

BULTEN[16]对进水流道内的压力系数进行研究，对比分析IVR为1.07和2.03时在对称面上的压力分布，发现IVR对压力分布的影响并不局限于斜坡处，在死水和入口弯道处也会看到明显的压力差，如图3所示.

图3 不同IVR时对称面压力系数Cp

3.2 船舶航行速度

DUERR等[13]对喷水推进泵进行数值模拟，在一定速度范围内通过改变喷水推进泵入口流量来评估轴向速度的不均匀程度.研究发现，在大流量下喷水推进泵入口处不均度更高.对于以稳定船速航行的典型船舶，喷水推进泵以恒定的运行工况运行，通过改变船舶运行的速度，发现喷水推进泵入口处速度的径向分布与船速无关.

本课题组[14]对额定转速时不同航速下喷水推进泵内流进行分析后发现，额定转速下，不均匀度ζ会随着船速的增加而增加.在高航速下，喷水推进泵进流面不均匀度较大，存在着较大的速度梯度关系；而当船速逐渐降低时，不均匀度逐渐趋近于0.在不同航速下，进水流道流体流态也有所差异，如图4所示，图中pw为量纲一化后的压力.在高航速下，进水流道驱动轴下方显现大面积低压区，随着航速的减小，斜坡处低压区减小，受唇部结构影响，唇部附近出现明显的低压区域，压差作用下，唇部流动分离现象加剧.

图4 不同航行速度下进水流道轴面压力分布图

图5为额定转速时不同航速下进水流道速度分布图.

图5 不同航行速度下进水流道轴面速度分布图

由图5可知，在整个进流过程中，受流道半径及驱动轴影响，斜坡上方速度低于下方，导致进水流道出口处速度分布发生变化，驱动轴上端速度亏损，下端速度盈溢，在下侧圆弧弯管处会形成一个高速区域，推测是由于流道曲率突然发生变化引起的，且随着航速的增加，流道内进流速度亦逐渐增大.

4 非均匀进流的不良影响

4.1 非均匀进流对水力性能的影响

在船舶的实际运行过程中，受非均匀进流影响，其运行工况与设计工况会出现一定的偏差.在设计工况内，与均匀进流相比，非均匀进流下喷水推进泵的扬程和效率都会有所下降，随着流量的增加，其下降程度也随之增加.BULTEN[16]对非均匀进流条件下喷水推进泵的水力性能进行对比分析，发现非均匀进流下喷水推进泵的效率较均匀进流有所下降，但是扬程并未发生明显变化.HU等[11]对比分析了均匀进流与周向平均非均匀进流下喷水推进泵的扬程与扭矩，发现周向平均非均匀进流对泵的扭矩和扬程没有造成明显影响.金实斌等[24]通过偏差量S来定义喷水推进泵扬程与效率的变化.在设计工况下，喷水推进泵扬程与效率有所下降，其降幅约为18.5%，且随着流量的增大，泵的扬程和效率也进一步下降.王洋等[22]发现轮缘处周向分离涡会导致叶片载荷发生变化，进一步影响推进装置运行性能.LUO等[25]指出非均匀进流会降低喷水推进泵扬程、效率，增加叶轮轴向振动，流动失稳、湍动能产生及雷诺应力扩散是喷水推进泵能量损失的主要原因.施卫东等[26]通过比较不同进流条件下轴流泵工作状态，发现非均匀流下轴流泵的扬程下降，影响其运行的稳定性.van ESCH等[27]通过测量总压力的精确质量平均数来计算扬程.非均匀进流下泵的扬程和扭矩有所下降，对于这种轻微的不均匀性，扬程和扭矩最多降低2.5%.同时对比研究了1 mm和2 mm间隙下喷水推进泵扬程、扭矩、效率以及轴向力的变化，发现增加叶顶间隙会导致喷水推进泵性能的降低.王洋等[22]在研究中发现非均匀进流在轮缘处演化为周向分离涡，并堵塞部分流道，影响其过流能力.

由上述研究可见，受非均匀进流影响，叶轮各流道流态分布呈现明显差异性，其质量流量以及过流能力均呈现周向不均匀分布，出现过流流道及堵塞流道，导致泵的水力性能较均匀进流有所下降.

4.2 非均匀进流对喷水推进泵内部空化的影响

TAN等[28]通过试验发现均匀进流下，叶轮出口处会出现空泡涡，影响喷水推进装置的运行性能.ZHANG等[29]在对轴流泵的空化试验中也发现了相似的垂直空泡涡.龙云[30]通过试验对喷水推进泵内部空化现象进行研究，成功捕获到叶轮内部的空化涡结构.BONAIUTI等[8]通过逆向设计方法对喷水推进泵的几何形状进行参数化设计，同时进行CFD分析以评估流体的运动.从试验测试以及CFD蒸气体积分数图观察叶轮表面，发现有气穴附着在叶轮外壳上，如图6所示.

图6 空化发展的可视化试验

受非均匀进流影响，喷水推进泵内部由于压力的分布不均，在低压处容易出现空泡，使得喷水推进泵内部出现汽蚀现象.MOTLEY等[31]基于流场仿真对喷水推进泵内部流动状态进行研究，发现非均匀进流下转子和定子上负载发生变化，高侧应力作用在定子与转子叶片上，造成一定的汽蚀效应.图7为转子叶片和定子叶片两侧20%蒸气体积分数.大量薄薄的不稳定气穴覆盖了吸力面侧大部分区域，并且靠近转子叶片压力面侧的后缘.由于气穴相对较薄，空化作用较弱，因此在定子和转子的这种特殊组合下，不会出现大规模阻塞问题.

图7 叶片和轮毂上20%蒸气体积分数

HUANG等[32]对喷水推进泵内部空化状态进行了数值研究，发现空化是导致其内部流动紊乱的重要原因.本课题组[14]研究了混流式喷水推进泵叶轮流道的空化特性.在高航速下，受非均匀进流影响，叶轮分为过流流道及堵塞流道.过流流道为流道2，堵塞流道为流道3和4.其中，堵塞流道进流冲角过大容易在吸力面侧形成流动分离；而在过流流道中，进流角反而小于叶片安放角进而出现负冲角，在压力面形成流动分离现象.在船舶实际航行过程中，喷水推进泵空化体积分布也呈现高度的不均匀性.堵塞流道由于液流速度低，叶顶泄漏流速度及泄漏量普遍偏小，未出现泄漏涡空化，而在吸力面侧出现少量片状空化涡.在过流流道，由于液流速度普遍较快，泄漏流速度及泄漏量甚至远高于均匀进流情形，因此大量泄漏涡空化出现在过流流道轮缘区.由负冲角形成的压力面侧分离涡也大量附着在压力面，形成片状空化涡，如图8所示.王雪豹[33]通过对喷水推进泵内部空化流动进行数值分析后得到相似结论：在高转速下，叶片上会附着大量空泡，且从轮缘处逐渐发展到轮毂处，不同叶片处空泡体积分数以及流道内空泡的分布有较为明显的差异性.

图8 高航速下喷水推进泵叶轮流道的空化特性

4.3 非均匀进流对喷水推进泵载荷的影响

由于进流的不均匀，作用在转子与定子上的载荷将会发生变化.在喷水推进泵运行过程中，非均匀的流入速度分布会产生一个附加的径向力，该力在惯性参考系中保持稳定.BULTEN等[34]对喷水推进泵进行瞬态计算，非均匀进流分布会在叶轮轴上产生稳定的径向力，该力的大小取决于不均匀程度，径向力的方向几乎与流入速度分布无关.流量的变化表明，稳定径向力的方向随着流量的降低而变化.GULICH[35]对多级泵、双向泵进行研究，也发现泵进流速度的畸变会使径向力发生变化，导致泵体发生振动，产生不良影响.曹璞玉[36]在研究非均匀进流下叶片载荷时发现，非均匀进流会导致叶片载荷分布发生变化，各叶片上载荷分布具有不均匀性.轮毂处，周向分离涡诱发的展向涡导致叶片做功能力降低，喷水推进泵轮毂处扬程也有所下降.而轮缘处，周向分离涡诱发的集中分离涡导致叶片的环量降低，轮缘处扬程也因此出现折断性下降.

4.4 非均匀进流对喷水推进泵旋转失速的影响

船舶在实际航行过程中会常常处于启动、转向、倒航等机动条件.在机动条件下，喷水推进泵常处于部分负载工况运行，导致叶轮出现旋转失速等不稳定流动现象.它不仅会造成喷水推进泵的扬程损失[37]，还会诱发振动噪声等，使得泵内部流动状况更加恶劣，甚至会破坏过流部件，造成叶片的损坏.EMMONS等[38]发现非均匀进流下，叶轮内部会出现旋转失速，影响流道过流能力.ZHANG等[39]对风机进行数值模拟，研究了非均匀进流下旋转失速的触发机制及出口长度对失速裕度的影响.LIN等[40]通过高阶畸变动态模型，对失速发生时刻、位置进行准确识别.LI等[41]通过控制总压畸变强度实现对进口叶尖畸变、轮毂径向畸变强度的捕捉，并提出叶尖空气喷射技术显著提高压气机失速裕度.冯建军等[42]对离心泵进口周向和径向2种非均匀来流失速特性进行数值模拟，并与均匀来流情况进行对比，发现非均匀入流会导致旋转失速的发生.本课题组[43]对不同工况下叶轮出口流态进行研究，发现小流量下叶轮出口处更容易发生流动畸变，造成流道堵塞和湍动能耗散，使得扬程骤降，由此提出驼峰区内混流式喷水推进泵失速状态判别机理.同时，李恩达[14]对弯管进流下混流式喷水推进泵失速特性进行了数值计算，获得了不同进流方式下叶轮液流特性分布，发现失速工况下，弯管进流流态略好于直管进流，叶轮内部流动状态较为稳定，弯管进流能够有效缓解失速工况下的不稳定流态以及失速涡尺度.曹璞玉[36]在对非均匀进流的研究中也有类似结论：受流道内部涡旋扰动，相较于直管均匀进流，非均匀进流扬程会出现折断性下降，周向分离涡扰动代替系统扰动诱发失速，导致能量耗散.

由此可见，均匀进流下，旋转失速会导致泵进口处回流量激增，增加运行损耗.但在非均匀进流下，旋转失速的发展进程和模式可能会受到较大改变，某种情况下，非均匀进流可能会起到抑制旋转失速发生的作用，但在全工况范围内，非均匀进流导致的水力损失仍然较均匀进流大.

4.5 非均匀进流对喷水推进泵压力脉动的影响

受非均匀进流影响，喷水推进泵内部压力脉动与均匀进流时存在差别.常书平等[44]研究了喷水推进泵在设计工况、运行工况时叶轮进口与出口、导叶中部与出口的压力脉动，发现最大压力脉动发生在叶轮进口处，受非均匀进流影响，叶轮进口从80°到140°半径方向的压力脉动较大，其主要受叶轮叶频控制.喷水推进泵在额定航速下叶轮进口处压力脉动最小，当船舶自由航行时，其压力脉动频率与转速呈线性关系.王雪豹等[45]对设计工况下轴流式喷水推进泵内部各监测点的压力脉动时域图和频域图进行了对比分析，受叶频的影响，首、次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动不仅与叶轮的叶片数有关，还与喷水推进泵叶轮数量有关.在工作过程中，由于首、次级两级叶轮反向旋转，轴线方向上2级叶轮之间轴向间隙处压力脉动幅值达到最大.

本课题组[14]对比分析了均匀进流与非均匀进流下喷水推进泵压力脉动特性.受非均匀进流影响，不同监测点压力脉动幅度有所增加，同时流道过流能力会减弱，泵内回流现象将会加剧.这一现象与王雪豹等[33]的研究结论相一致，他们认为非均匀进流压力脉动特性与均匀进流相比存在明显差异.相较于均匀进流下压力随时间的小幅度脉动，非均匀进流下脉动幅值波动极为显著.

5 研究展望与发展趋势

非均匀进流是喷水推进器运行过程中的一种典型的现象，受非均匀进流影响，喷水推进泵运行过程中不稳定流动问题加剧，从而对混流泵的经济性和安全性都产生很大的影响，虽然学界对该问题已经有了一定的认识，但对非均匀进流的研究还不够完善.因此，需要从以下几个方面开展更加深入的研究:

1) 在对喷水推进泵内流特性进行数值模拟时，为了更好地分析非均匀进流下喷水推进泵内部多尺度旋涡结构和二次流，需要选择更好的模型与之匹配，使得模拟更加接近真实情况.除此之外，对非均匀进流下喷水推进泵的振动及噪声的研究还不够充分，需要加强这方面的研究.

2) 对于喷水推进泵内非均匀进流的研究目前是以模拟为主，受到客观条件的限制，未能通过试验的方式对非均匀进流下喷水推进泵性能及推力进行测试，因此需要通过相应试验来验证数值计算的准确性.为了更好地模拟船舶的真实航行状态，需要搭建喷水推进泵试验台，来获得不同航速下喷水推进泵的推力特性，更好地揭示非均匀进流下喷水推进泵内部的流动规律.

3) 对于稳定巡航状态下喷水推进泵非均匀进流的研究已有了一定进展，未来可以针对机动条件下的运行状态开展研究.由于喷水推进泵在机动条件下会处于部分负载工况，但由于缺乏相关试验数据，未能对其内部流动特性做出真实模拟.未来可以通过基于机动条件下的试验数据进行精确的瞬态数值计算，进一步研究喷水推进泵在机动条件下的内流特性.