流场控制体对喷水推进器性能预报影响的研究

刘承江，王永生，张志宏，刘巨斌

（1海军工程大学a.船舶与动力学院；b.理学院，武汉430033）

1 引 言

目前，采用CFD方法对喷水推进器进行水动力性能预报的研究已较为成熟。这些研究对深入分析喷水推进器内部流动情况、改进设计、弥补试验研究的不足，起到非常重要的作用[1-5]。甚至有些研究机构已经将这种数值计算研究置于与试验研究同等重要的地位[6-7]。为准确预报和计算喷水推进器水动力性能，建立正确的数值模型是非常重要的。其中，流场计算区域（即流场控制体）因影响到喷水推进器的进流条件，所以其选取将会直接影响预报的精度。对此，本文对设计工况和非设计工况下喷水推进器水动力性能预报所需流场控制体进行了研究。在验证计算方法和数值模型可信的基础上，通过对比不同流场控制体的计算结果，分析了流场控制体对喷水推进器性能预报的影响，最后确定了所需流场控制体的大小。

2 数值计算模型

喷水推进器结构如图1所示。考虑到来流受航速、压力及进水口对船底边界层等因素的影响，在进水流道下方设置一个较大区域模拟船底水流场，共同组成喷水推进器数值计算区域 （即流场控制体，图2）。整个流场计算区域分成两个部分：进水流道与船底水作为一个区域，喷水推进器泵本体（包括叶轮和导叶体）和喷口作为一个区域。喷水推进器各部件均采用六面体结构化网格进行划分，并对进水流道壁面和船底附近网格作加密处理以得到满足y+要求的网格，叶片附近也用O型网格进行加密，以使网格质量满足计算要求（如图3）。

船底流场控制体两侧及来流面设为速度进口，通过速度剖面来模拟流动受边界层的影响。利用平板二维粘性边界层速度分布模拟船底边界层的速度分布，采用Prandtl方法和Wieghardt建议的近似修正[8]，可得到船底边界层厚度和速度分布：

其中：Re—雷诺数，Vs—航速，x—进口前船体水线长度，ν—水的运动粘性系数，δ—边界层厚度，y—离船底的距离，u—y处的流速。

数值计算方法和边界条件设置等与文献[9]相同。

3 数值计算与分析

在参考国内外有关喷水推进器CFD性能研究的基础上[1-3，6]，首先选用一个较大的控制体对系统流场进行模拟，并用该模型对设计工况和非设计工况的喷水推进器推力、功率等特性进行预报。预报结果与厂商提供的数据进行了比较，其中设计工况的推力、功率误差分别为0.881%和0.078%，非设计工况的推力和功率最大误差为4.63%。所以，作者认为该数值模型和相应的计算方法可信。

3.1 设计工况流场控制体的选取

最初选取的基准控制体的尺寸是：进水口前长度为40倍叶轮进口直径 （即40D，D为叶轮进口直径），船尾板后为8倍叶轮进口直径，船底宽6倍叶轮进口直径（中剖面一侧，总宽度为12倍叶轮进口直径），船底水深10倍叶轮进口直径。不同控制体模型的网格划分方法和网格尺度是相同的。

在最初控制体的基础上，分别从长、宽、深三个方向改变其大小，计算对比喷水推进器内部微观流动情况和宏观外特性参数。各模型计算的流量、功率、推力等外特性指标与初选控制体计算结果偏差均在0.3%以内，相差很小。图4是各模型中剖面速度分布，颜色越深表示速度越小。

通过对比分析，最终确定设计工况时流场控制体的长、宽和深度分别为喷水推进器叶轮进口标称直径的30倍、10倍和8倍。具体分析参考文献[9]。

3.2 非设计工况流场控制体的选取

选择0.75倍和0.50倍设计航速对应的两个工况进行分析。图5-1、5-2分别是设计工况与非设计工况（0.5倍设计航速）进水流道附近流线分布情况。可见，非设计工况所需流场控制体应该比设计工况时更大。所以，在4.1节选取的流场控制体的基础上，逐步加大流场控制体大小，通过对比计算结果确认非设计工况时所需流场控制体的大小。

表1～6分别是各非设计工况流量、功率、推力等性能参数随控制体长度、宽度、深度的变化规律。将4.1节设计工况下流场控制体的数据作为参考基准，不同维度的性能参数变化与各自基准进行对比。

表1 0.75倍设计航速工况性能参数随控制体长度变化Tab.1 Parameters changed with length of FCV at 75% design speed

表2 0.5倍设计航速工况性能参数随控制体长度变化Tab.2 Parameters changed with length of FCV at 50% design speed

表3 0.75倍设计航速工况性能参数随控制体宽度变化Tab.3 Parameters changed with width of FCV at 75% design speed

表4 0.5倍设计航速工况性能参数随控制体宽度变化Tab.4 Parameters changed with width of FCV at 50% design speed

表5 0.75倍设计航速工况性能参数随控制体深度变化Tab.5 Parameters changed with depth of FCV at 75% design speed

表6 0.5倍设计航速工况性能参数随控制体深度变化Tab.6 Parameters changed with depth of FCV at 50% design speed

由表1～2可见，各工况流量、功率、推力随控制体长度的变化不足1%。由表3～4可知，控制体宽度对计算结果的影响也很小。由表5～6可知，流量、功率随控制体深度变化不大，而推力受控制体深度影响较大，且随着深度增大，推力变化增大，超过1%；但随着深度的进一步增加，推力增大有减缓的趋势；航速越低，控制体深度对推力的影响越大。所以，为避免流场控制体对性能预报带来的误差，可在设计工况流场控制体的基础上增加控制体深度；又考虑到计算量问题，作者最终确定非设计工况下控制体深度为10倍进口直径。由于控制体长度和宽度对性能预报结果影响不大，且考虑到计算量问题，所以在非设计工况预报时可采用与设计工况相同的控制体长度和宽度。

5 结 论

针对喷水推进器CFD性能分析中流场控制体选取问题展开讨论，分别从深度、宽度和长度三个维度对控制体进行了调整。通过数值计算和分析，研究了不同流场控制体对喷水推进器性能（包括外特性宏观参数和内流场微观参数）预报结果的影响，为喷水推进器CFD性能分析所需流场控制体的选取提出了建议。

（1）本研究首先对设计工况流场控制体的选取进行了计算和分析。由于外特性预报结果变化不大，仅在0.3%以内，而内流场流动变化较明显，所以控制体的选取以内流场流动参数分布合理为标准，这也是CFD方法特点的一个体现。最终确定设计工况时流场控制体的长、宽和深度分别为喷水推进器叶轮进口标称直径的30倍、10倍和8倍。

（2）对于非设计工况时控制体的选取，在设计工况流场控制体的基础上，分别改变其长、宽和深度，通过计算分析，根据流量、功率和推力的变化情况，最终确定该控制体长、宽和深度分别为喷水推进器叶轮进口标称直径的30倍、10倍和10倍。

（3）非设计工况流场控制体的大小对喷水推进器性能预报的影响比设计工况大，而且非设计工况下所需流场控制体要大于设计工况时的情况。

[1]Norbert Bulten,Bart van Esch.Review of thrust prediction method based on momentum balance for ducted propellers and waterjets[C]//In:Proceedings of FEDSM2005.Houston:ASME,2005.

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[9]刘承江,王永生,张志宏.喷水推进器数值模拟所需流场控制体的研究[J].水动力学研究与进展,2008,23(5):592-595.