喷水推进混流泵流体动力性能的CFD研究

曾文德 王永生 刘承江

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

喷水推进混流泵流体动力性能的CFD研究

曾文德 王永生 刘承江

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

采用CFD方法研究KaMeWa公司的某型喷水推进混流泵的流体动力性能，并分析其内部流场特性。通过几何建模，将泵划分为进口、叶轮、导叶体和喷口四部分。分别采用结构化网格离散计算区域。应用k－ε和k－ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程，采用全隐式多区域网格耦合求解。预报其功率、扬程、效率等特性，将泵功率的计算结果与该泵厂家试验数据进行比较，误差在2%以内。说明本研究采用的CFD方法预报该泵的流体动力性能真实可信。根据计算结果，对内流场的流线和叶片表面的压力分布做了详细分析。

喷水推进；混流泵；CFD；性能预报

1 引言

喷水推进技术是近些年来才快速发展起来的推进方式，并被越来越广泛地应用到现代的高速船上。它有机动性强、全工况效率高、振动噪声小、传动装置简单、主机不容易超负荷等优点［1］。近年来，随着计算机技术和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展，喷水推进技术也得以快速发展［2］。国际上使用的CFD数值模拟方法对混流泵各参数测量和性能验证已经比较成熟，而且比工程试验方法更节省人力、物力和财力。我国近年来在某些船舶上也采用了喷水推进技术，其中大部分使用进口喷泵（喷水推进泵的简称）。目前一些喷泵已经国产化，但对这些喷泵性能参数掌握得还不全面。如果能运用CFD数值模拟方法，在已知该泵几何参数的情况下，预报其水动力性能，则可为研究喷水推进器的性能以及为我国自行研制喷水推进器提供一些参考。

2 计算方法

本文研究的对象是KaMeWa公司的某型喷泵。该泵属于混流泵，由于流量和压头两者优势兼顾，能够适应于不同船型的需要，我国某型船就采用了该喷泵。采用Solidworks软件运用自底向上的方法建立几何模型，如图1所示，包括进口、叶轮、导叶体、喷口四部分。分别对四个部分划分网格，均采用六面体结构化网格［3］。考虑网格数量的影响，经过计算比较，网格总数约为100万比较合适［］。

图1 喷泵结构图

计算的基本控制方程包括连续性方程和动量方程（也称Navier－Stokes方程，简称N－S方程）。

连续性方程：

式中，ρ为流体密度；u为速度；p为压力；t为时间；x为空间坐标；μ为动力黏度；s为源项；i，j表示坐标轴方向，遵从张量中的求和约定［5］。湍流模型选择剪切应力传导模型，边界条件采用总压进口，静压出口，参考压力为1个大气压。不考虑浮力、热传递等其他因素。求解采用全隐式耦合算法，收敛精度为0.000 1。

3 计算结果分析

3.1 试验结果

本文所参考的数据是由KaMeWa公司提供，如图2所示，3号曲线即为本文研究对象的功率－转速曲线。由图可知，该喷泵的工作范围非常广，可用功率范围大，适用于不同功率等级的喷水推进船，这也是喷水推进混流泵的优点之一。

图2 泵的试验功率曲线

3.2 计算结果的校验与分析

对该喷泵的不同工况进行数值计算，并与试验结果进行比较，如图3所示。CFD计算结果和试验值吻合较好，计算结果误差均在2%以内，可见，采用CFD方法预报喷水推进混流泵的性能是可行的［6］。根据CFD计算结果，还得到该混流泵效率曲线、扬程曲线和流量曲线，如图4所示。这是KaMeWa公司没有提供给用户的，这些数据可以为泵的日常使用与维护提供参考，在经费不允许的情况下，采用CFD方法计算得到泵的特性曲线，也是本文的主要目的。从计算的结果来看，与混流泵理论特性相符［7］，特别值得一提的是，该泵在偏离额定工况时，仍有较高的效率，达到87.5%以上，非额定工况运行效率高，也验证了该泵性能的优越。

图3 功率预报结果与试验数据的比较

3.3 混流泵内流场分析及应用

CFD方法除能作为试验的辅助手段进行喷水推进混流泵的性能预报外，还能根据计算结果分析并显示内部流场的流动情况，如流线、压力分布、速度分布等，这正是CFD方法又一个显著的优点。

图4 CFD预报的性能曲线

3.3.1 混流泵内流场的流动情况

如图5所示，混流泵内部流线均匀连续。叶轮对流体做功，流体速度急剧增加。在导叶体内经过整流，最后在渐缩喷口作用下，加速喷出。从速度矢量图可以看出，流体经过导叶体整流后，周向速度分量已经很小，提高了能量的利用率。

3.3.2 不同工况下叶轮叶片压力分布

由图6可知（考虑篇幅有限，仅取转速为800 r／min和1 000 r／min两个工况比较，其他比较也选择这两个工况），不同工况下叶片压力分布相似，随着转速升高，叶片上的压力升高。各工况的压力面压力高于吸力面压力，从导边（即进口边）向随边（即出口边）压力增加，压力等值线均匀连续，总体上平行于导边和随边。在出口叶顶处出现压力局部偏高，是由于叶顶处的翼型长度较叶根处大，故叶顶处叶片对水流做功多，导致叶片压力面上靠近叶顶出口处的压力明显比其他区域高，这一现象在其他文献中也有描述［8］。在几何设计上也有针对性的考虑，使叶片随边向进口倾斜，与轴线成60°角，尽量减少叶稍的高压区，以满足强度要求。压力最低点出现在叶轮进口叶顶部分，该点是容易产生空化的部位［9］。在泵的检修中要注意该部分的空蚀程度，及时修补或更换叶片。

800 r／min的压力面（左）和吸力面（右）压力分布

图6 叶轮叶片压力分布

3.3.3 不同工况下导叶体叶片压力分布

由图7可知（每图上部分为吸力面，下部分为压力面），各工况下导叶体叶片压力分布相似，随着转速增加，压力升高。各工况下叶片表面压力由叶根向叶顶逐渐增加。

叶轮叶片的压力是由导边到随边逐步增加，而导叶体的叶片压力是由叶根到叶顶，根本原因是两者作用不同，叶轮叶片是做功部件，将轴功率传递给流体，流体从进入叶栅通道后，逐步吸收能量，压头也不断提高，而在叶片径向吸收能量的差距不大，因此形成了压力的带状分布，导叶体叶片只是能量转换，将速度能转换为压能，由于进入导叶体以后，越靠近叶顶，周向速度分量的动能越大，所以经过导叶体叶片转换的压能也就越大，所以叶片表面压力由叶根向叶顶逐渐增加。

图7 导叶体叶片压力分布

4 结论

本文主要是利用CFD方法对喷水推进混流泵进行计算。通过功率－转速曲线的校核，然后计算泵的特性曲线，并简单分析了内流场特征。经过计算，可以得到以下结论：

1）用CFD方法，采用结构化网格模拟泵的实验条件，计算不同转速下的功率，与实验结果比较，误差在2%以内，说明利用CFD方法对泵模拟计算是可靠的。这也能为泵的优化设计提供省钱省力的方法。

2）在计算泵不同转速下的功率的基础上，计算泵在额定转速下的特性曲线，从计算结果来看，与理论情况相符合。喷水推进混流泵有比较宽的高效区，功率分布广，能适用各种不同船型的功率需要。在没有条件做模型试验的情况下，采用CFD方法计算泵的特性曲线也不失为一种好方法。

3）采用CFD方法计算，从计算结果的后处理软件中，能直观地观察到各种参数的分布，还能够自定义监控参数，避免了模型试验后的大量数据的处理。从内特性结果显示上看，叶片表面压力分布连续，变化均匀，在叶片进口吸力面存在低压区，是易汽蚀的部位。从叶轮叶片和导叶体叶片的压力分布可以分析两叶片的功用不同。而这些流动特性正是模型试验很难直接测得的，也是CFD数值计算的优点之所在。

［1］John Allison.Marine Waterjet Propulsion ［J］.SNAME Transactions，1993，101：275-335.

［2］HORNSBY C.CFD—driving pump design forward world pumps［J］.World Pumps，2002，2002（413）：l8－22.

［3］王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究［J］.机械设计与制造，2004（1）：22－24.

［4］CHUN H H.Experimental and CFD analysis for rotor－stator interaction of a waterjet pump［C］／／Twenty－Fourth Symposium on Naval Hydrodynamics，2003.

［5］王福军.CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［6］Warn－Gyu Park，Jin Ho Jang.Numerical Flow and Performance Analysis of Waterjet Propulsion［J］.Ocean Engineering，2005，32（10）：1740－1761.

［7］汤方平.喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析［D］.上海交通大学，2006.

［8］王福军.CFD在水力机械湍流分析与性能预测中的应用［J］.中国农业大学学报，2005（4）：75－80.

［9］王福军，黎耀军，王文娥，等.水泵CFD应用中的若干问题与思考［J］.排灌机械，2005（5）：1－10.

Hydrodynamic Performance of the Jet Propulsion Mixed-flow Pump by CFD Simulation

Zeng Wen－de Wang Yong－sheng Liu Cheng－jiang
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

CFD simucation is used to predict the hydrodynamic performance of the mixed－flow pump with waterjet propulsion made by KaMeWa，and the flow inside the pump is analyzed.The calculation region is divided into four parts including inlet，impeller，stator and nozzle，and meshed by the structure grid.The Shear Stress Transport turbulent equation which combined k－ε and k－ω turbulent model，and the multiple reference frame models are used to solve the governing equations.CFD is considered feasible to predict the performance of waterjet mixed－flow pump after comparing the computing results with the test data whose error is less than 2%.The streamline in flow field and pressure distribution on the blade of the waterjet pump are analyzed based on the computational results in detail.

water jet propulsion；mixed－flow pump；CFD；performance prediction

U664.34

A

1673－3185（2009）04－18－04

2009-03-06

“十一·五”预研项目

曾文德（1984－），男，硕士研究生。研究方向：喷水推进器水动力特性。E-mail：zwd3032003030＠yahoo.com.cn

王永生（1955－），男，教授，博士生导师。研究方向：舰船推进系统稳动态特性、喷水推进

刘承江（1981－），男，博士。研究方向：喷水推进器空化特性CFD分析