喷水推进器入口侧棱对进水管内流动影响的数值研究

黄丛磊，戴 韧

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引 言

喷水推进利用泵喷水流的反作用力推动船舶前进，理论上具有推进效率高、抗空泡性强、附体阻力小和变工况范围广等常规螺旋桨不及的优点，在水陆两栖车辆和高速船舶等领域得到了广泛的应用。进水管是喷水推进器的重要组成部分，负责给推进泵输运水流和传递能量。喷水推进泵进水口受船体结构布局的限制，通常是弯管形的，导致泵进口流动不均匀，并带有一定程度的涡流[1]，造成管路水力性能以及泵效率的下降。Hu 等[2]和Park 等[3]运用仿真技术在喷水推进泵的进流面捕捉到了两对旋涡。Bulten[4]观察到高航速时吸入流体受阻于斜坡处的逆压梯度而发生流动分离，在进水管的斜坡处出现大尺度分离涡。现有工程实践和试验证明，进水管所损失的功率约占主机总功率的7%～9%[5],其与船体之间的相互作用对推进效率的影响甚至可以达到20%以上[6]。

目前喷水推进进水管大多通过优化几何参数提升水力性能[7-9]。丁江明等[10]提出进水管造型的参数化方法，为优化设计进水管提供了很好的模型基础，但未关注流道中分离和畸变的产生与控制。王洋等[11]用数值模拟的方法计算了非均匀进流下喷水推进泵的外特性，发现由于结构造型的原因，进水管的非均匀出流演变为周向畸变流，扰动喷水推进泵的内流场，造成叶片上的流动分离，泵性能局部降幅可达30%。

飞航弹体的平面埋入式进气道与喷水推进器进水管十分类似。在航空动力领域，通过大量的实验和数值CFD 分析研究，不仅掌握了S 形进气道内流动结构，而且开发了多种主动和被动控制技术[12-13]，基本解决了亚/跨音速飞行时发动机S形进气道所造成的压气机性能畸变与失稳的问题。余安远[14]通过设计梯形入口的平面埋入式进气道方案改善了进气道的气动性能。对于喷水推进进水管，Brandner 等[15]也尝试运用流动控制方法，消除进水管内的分离和涡流，提高进水道的水力性能。但是成果还很少，对流道内畸变现象的分析不深入，结果还不具有普遍性意义。

本文参考隐身进气道，在进水口增加侧棱，造成局部涡流以提升进水管的水力性能。通过数值模拟，在不同进速比工况下，对比分析增加入口侧棱后流道的整体性能、分离程度和旋流畸变，研究入口侧棱对喷水推进装置进水管内流动特性的影响，提出进水管设计的改进方案，使进入叶轮的流体能更高效地推动喷水推进器。

1 模型与网格

1.1 几何模型

进水管出口截面为圆形，而入口截面的形状通常为椭圆与矩形的综合体，如图1（a）所示。本文在某喷水推进进水管中，参考孙姝等[16]对进气道的优化结果，在入口截面设计侧棱，依靠入口的三维效应产生涡流。为了避免卷入过多的低能流体，造成较大的损失，侧棱角选择为4°。入口截面通过将四边形部分的L1变长，L2变短实现矩形到梯形截面的过渡，且L1与L2之和以及四边形的长度不变以保证入口面积不发生较大变化，最终进水管入口形状如图1（b）所示。

1.2 网格划分

计算区域分为喷水推进装置进水管和船底流场控制体两个部分。根据入口截面确定进水管的几何外形，其出口截面的直径为D。船底流场控制体计算域应尽量大，但是过大的计算域会增加计算量。刘承江等[17]建议入口前控制体长度不小于30D，而宽度和深度对计算结果基本没有影响。本文在控制体入口处设置指数形式的边界层速度分布，代替25D以上的船底边界层的发展。经过计算和对比分析，取实际计算域控制体的长为10D、宽为6D和深度为4D。出于计算稳定性的考虑，数值模拟计算时在流道出口加装一段2.5D的水平段更准确地模拟出流情况，最终数值计算区域如图2 所示。计算域全部采用六面体结构化网格进行划分，如图3 所示，并对进水管壁面以及船底进行加密，第一层网格厚度给定0.01 mm，增长率为1.12，壁面y+控制在1附近，满足计算要求。

为了验证计算网格无关性，采用5套密度不同的结构化网格计算原始进水管在进速比为0.7的设计工况下的性能，网格数依次如表1所示。通过对比进水管出流面的质量流动速率RMF以及效率ηduct，发现计算结果的相对偏差均小于1%。综合考虑计算精度及计算周期因素，本文采用第4 套网格方案。

表1 网格无关性验证Tab.1 Verification of grid independence

1.3 数值计算

计算采用CFD 商业软件FLUENT，基于定常RANS 解，流动介质为水，温度为25 ℃，湍流模型选用SSTk-ω模型，压力-速度耦合迭代选取SIMPLEC算法，收敛精度为10-6。船体控制体区域上游来流面设为速度入口，由于边界层流的摄入对流场有着一定的影响，在控制体入口平面设置一个速度剖面，以模拟边界层沿船体表面的发展[4]：

边界层厚度为

式中：u为入口速度分布；U∞为来流速度，取10 m/s；y为离壁面的距离；n为指数，取9；Re为进口雷诺数；x为进水管入口平面距船首距离，取30D。

其他边界条件为：进水管出流面设为质量流量出口，通过改变质量流量实现进速比的变化；船底流场区域下游出口面设为压力出口，出流压力设置为环境压力，环境压力值不考虑水深的影响，数值计算中实际设定值为1 atm；控制体底部为自由滑移壁面，控制体沿来流方向的左右两面设定为周期性边界条件来模拟无限大空间，其余面设为无滑移壁面。

2 计算结果及分析

进速比RIV（进水管出口速度Vi与航速V∞之比）是表征喷水推进装置工作状态的一个重要参数，本文分析对比了喷水推进器原始进水管和增加4°入口侧棱后，在不同进速比RIV=0.3～1.5范围内，入口侧棱对整体性能、进水管内流动分离和弯管出口截面的旋流度等性能的影响。

2.1 进水管整体性能

进水管的效率ηduct和出流不均匀度系数ξ是评判进水管总体性能的重要指标。进水管效率用来衡量进水管对来流能量的利用程度。不均匀度系数用来衡量进水管截面流场速度分布的均匀性。ξ越大，意味着所对应的截面流速场越不均匀。两个指标的公式分别为

式中，Eout为出流面的总能量，Ein为流道进口捕获区域即进流面的总能量。根据第24 届ITTC 喷水推进专家委员会会议[18]的建议，进流面通常为位于进水管入口前1D剖面处，如图4所示，同时保证流过进流面与出流面的流量相等，满足质量守恒。Q为流道截面体积流量，va为进水流道截面上轴向速度，vˉ为截面上的平均轴向速度。

图5 给出了增加入口侧棱后进水管效率的变化。从曲线中可以看出，在RIV=0.7的设计工况下，进水管的效率最佳。增加入口侧棱主要提升了大进速下（RIV≥0.7）的流道效率，当RIV=1.5 时，进水管的效率从81.05%上升至82.29%。出流面不均匀度的变化如图6 所示，流速的不均匀性随着进速比的增加而逐渐降低。增加入口侧棱对出流均匀性的影响并不明显。

进水管出流的畸变特性也是影响进水管性能的重要因素。参考SAE 畸变的评价体系[19]，本文引入旋流度θ以及总压畸变指数DC（60）分别来表征进水管出流的畸变特性。其中旋流度θ表征流向的畸变程度，总压畸变指数DC（60）是测量进水管与喷水泵兼容性重要指数，随着出流面DC（60）增大会造成喷水泵的性能恶化。两个指标的公式分别为

式中，va、vt分别为出流面上轴向速度和周向速度，为截面平均压力，为截面上相邻60°扇形面上平均总压的最小值，ρ为流体密度。

图7 和图8 分别给出了出流面旋流度θ和总压畸变指数DC（60）的变化曲线。从曲线图中可以看出，进速比较大时，增加进口侧棱能够较好地改善出流面的旋流畸变，降低旋流度，其效果随着进速比的增加更为明显。当RIV=1.5，出流面的旋流度从1.13°下降到0.70°。总压畸变指数DC（60）的变化趋势与不均匀度系数一致，增加入口侧棱对其影响同样不明显。

综上可见，入口侧棱对于进水管总体性能的影响主要体现在大进速比下对于其效率和旋流度的提升，同时对于其他工况以及性能指标并未带来负面影响。

在进水管中截取了三个截面（截面A，截面B，截面C）来观察内部总压的变化，沿流向依次分别位于弯管中间位置、进水管出流面位置和距离出流面1D处。由于大工况下进水管的效率变化较为明显，图9给出了RIV=1.5工况下流道各截面的总压分布图。从图中可以看出，原始进水管的底部两侧存在显著的对称低压区，且随着流动方向不断恶化，造成出流总压的损失。增加入口侧棱后，低压区的面积减小并向上转移，出流的总压增加，因此在RIV=1.5时进水管效率得到提升。

2.2 进水管内流动分离

当进速比较小时，由于管内流速较低，受进水管斜坡侧压力梯度的影响，边界层容易发生流动分离现象。图10给出了RIV=0.5时，进水管中间平面上的流线图和速度云图。原始进水管的斜坡侧靠近壁面处发生了显著的流动分离，这一现象从进水管中部开始沿流动方向发展，造成了严重的失速。增加入口侧棱后，斜坡侧的流动分离区域变小，流动分离得到较好的改善。从图11中可以看到，狭长的梯形两棱增加了入水口前部的涡结构，强化了入口对船底流场的卷吸能力，从而增加了进水管中主流的动能，促进了能量交换，减弱了流动分离。图12为进水管出口截面上的速度云图，受流动分离的影响，原始进水管的上半截面出现低速区。增加入口侧棱后，由于进水管内流动分离减弱，截面顶部低速区的面积减小，底部高速区的面积增加。

2.3 弯管出口截面的旋流

旋流是一种典型的横向分离流动，它的产生与进水管内部的分离涡和二次流动紧密相关。在大进速比的工况下，部分流体在唇部发生流动分离并诱发旋涡，进水管下缘会产生一对显著的分离涡，产生旋流畸变，导致喷水推进泵的内流场发生扰动，效率降低。

图13 给出了RIV=1.5 的工况下进水管内部的Q准则三维涡系分布。在原始进水管的唇部可以观察到显著的涡流，随着流动一直发展至出口，造成了较大的旋流畸变。增加入口侧棱后，受入水口狭长的梯形构型影响，唇部的涡流减弱。

为了更直观地对比大进速比下入口侧棱对旋流畸变的影响，进水管内各截面上的旋流角云图如图14所示，截面分布与图9一致。旋流角α定义为流动截面上周向速度vt与轴向速度va的夹角。规定从进水管出口往入口看，逆时针为正向，取正值。

在原始进水管中，各截面上的旋流以对涡的形式存在，大旋流角的所在位置与图9中的低压区位置相对应，旋流的存在是造成大进速比进水管能量损失的主要原因。从图14 中对比分析可以看出，进水管内的旋流得到了显著改善，入口侧棱的引入在减小旋流角角度的同时，还改变了截面下缘的对涡分布，使其从通道底部向两侧发展。由于入口侧棱的卷吸作用，入水口两侧进口宽度以外较大范围的边界层气流也在进口漩涡的卷吸作用下拐弯进入了流道。这一部分边界层流体在绕侧棱流动的过程中不断累积，使得叶轮前附近的低能流大为改善，原来在底部的漩涡被打散，形成了新的对涡，而新对涡的强度较小，位置往两侧移动，旋流度从1.13°下降到0.70°。

3 结 论

本文设计了一种带有侧棱的喷水推进器进水管梯形入口，采用雷诺时均模型和SSTk-ω湍流模型对进水管内流场进行了数值模拟，得到如下结论：

（1）增加侧棱后，入口处产生了沿流动方向的卷积涡，强化了对船底流场的卷吸能力，提高了进水管中主流的动能，促使主流中高动量流体和斜坡侧边界层内低动量流体进行能量交换，减弱二次流的强度，抑制了小进速比工况下进水管斜坡侧的流动分离，但卷积涡对出流的均匀性没有产生较大影响。

（2）进水管内对涡形式的旋流，是造成大进速比进水管能量损失的主要原因。入口侧棱通过卷吸作用，形成新的涡流，能够减小旋流角角度，并使其从通道底部向两侧发展，提升出流品质。在大进速比工况下，入口侧棱的作用明显。当RIV=1.5 时，进水管的效率从81.05%上升至82.29%，旋流度从1.13°下降到0.70°，同时对于其他工况以及性能指标并未带来负面影响。