轴流式喷水推进泵水力设计和性能检验

常书平，王永生，靳栓宝

(海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033)

喷水推进是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，它具有常规螺旋桨所不及的众多优点［1-2］.对喷水推进泵有一些特殊要求，如体积小、转速高、汽蚀性能好、流量系数大、扬程系数高等，所以喷水推进泵的设计难度较一般陆用水泵要大得多［3］.传统的依靠反复试制、试验来研制新型水泵的方法既耗资大又周期长，不易满足喷水推进泵的设计要求.将计算机辅助设计(CAD)和计算流体动力学(CFD)技术结合起来，可建立一套轴流式喷水推进泵的参数化设计和水力性能检验平台.它采用CAD技术计算并修正各过流部件的形状参数，用CFD技术分析其内部流场来快速判断CAD设计质量，并为进一步优化设计提供合理依据，它的应用有益于高质高效地完成设计任务［4］.

航速不是太高的舰船和现代两栖车辆大多采用了轴流式喷水推进［5］，本文将建立一套轴流式喷水推进泵的CAD-CFD平台.首先，依托Matlab-Simulink实现了轴流式喷水推进泵参数化设计过程，直接得出了叶片流面点的空间坐标;然后，根据计算所得的设计参数和坐标值在SolidWorks软件中进行三维几何建模;再采用CFD技术，经高质量的结构化网格划分、定义边界条件、数值计算和后处理等步骤对所设计轴流式喷水推进泵的扬程、效率等宏观外特性及具体流场流态进行综合评估.文中通过一实例详细阐述了各个环节的具体实现方法，结果表明:该平台便捷实用、可高速优质地完成轴流式喷水推进泵水力设计.

1 轴流式喷水推进泵CAD

基于圆柱层无关性假设和叶栅理论［6-7］，按照升力法进行轴流泵叶轮设计，按照流线法设计导叶，具体流程如图1和图2.

图1 叶轮设计流程图Fig.1 Flow chart of the rotor design

图2 导叶设计流程图Fig.2 Flow chart of the stator design

该轴流式喷水推进泵CAD具有以下特点:

1)叶轮设计时，轮毂比dh/D、叶轮外径D、叶栅稠密度l/t、各截面翼型和旋转中心位置等参数的组合好坏直接影响泵的效率及空化性能［4］.在该叶轮CAD平台中，这些参数既能根据传统的经验曲线自动计算得出，设计者也可根据个人经验给定.

2)叶轮设计采用了变环量设计思想［8-9］.设计者可设定环量从叶根到叶顶为线性分布或抛物线分布，通过修改直线的斜率或抛物线的焦点等系数具体控制.这样可避免等环量时造成的叶根攻角大和整个叶片扭曲严重等问题.

3)建立了翼型数据库，含NACA4406-4415、NACA16、NACA66和圆弧等翼型的型值、升阻力系数曲线等，可在设计中调用.

4)实现了对翼型坐标的平移、旋转和流面缠绕等操作，直接得出叶片流面的三维空间坐标，便于直接进行叶片三维几何建模和检查叶片扭曲度.

5)实现了轴流式喷水推进泵三维造型的参数化控制.根据用户的调整不断修改设计参数，喷水推进泵的三维几何造型跟着发生相应的变化，便于进行多方案比较寻优.

2 轴流式喷水推进泵设计实例

按照020Q84喷水推进泵的设计要求进行设计，具体为［9］:流量 Q=0.152 m3/s，扬程 H=2.61 m，转速 n=1 450 r/min.

取泵直径D=0.2 m，叶轮叶片数z=6，导叶片数zd=7，主要参数结果如表1和表2.叶轮和导叶之间距离为0.05D，叶轮和导叶叶片都选用 NACA16α=0.8翼型.根据CAD程序计算得出的各流面翼型空间坐标，依托SolidWorks宏命令直接进行轴流泵三维几何造型和叶片形状检查，见图3和图4.

表1 叶轮主要参数计算表Table 1 Calculated results of rotor parameters

表2 导叶主要参数计算表Table 2 Calculated results of stator parameters

图3 叶轮叶片流面线Fig.3 Sectional line of the rotor blade

图4 喷泵三维造型Fig.4 3D modeling of the waterjet pump

3 轴流式喷水推进泵CFD

参照文献［10］确定该轴流式喷水推进泵CFD计算域如图5.

图5 计算域和边界设置Fig.5 Calculated region and boundary conditions

图6 轴流泵网格Fig.6 Mesh of waterjet axial-flow pump

各部件均采用六面体结构化网格进行划分，叶轮采用J型拓扑结构，导叶体采用H型拓扑结构.为较真实模拟轴流泵内部流动，对各固体壁面进行了网格加密处理，叶片周围也用O型网格进行了加密，叶顶间隙采用独立的10层H型网格嵌入到周围的O型网格之中.各部件网格如图6所示.在划分网格时还考虑了数值模拟精度对网格数量的依赖性，最终确定的网格方案见表3.

表3 轴流式喷水推进泵各部件网格数量Table 3 Mesh number of each part of waterjet axial-flow pump

采用工程中应用最广泛的雷诺时均方法求解轴流式喷水推进泵内复杂的粘性不可压缩流场，流动控制方程为［11］:

式中:fi为体积力，包括推进泵旋转过程中流体的科氏力和离心力;p为作用在流体上的压力;ρ为海水密度;μ为海水的分子粘性系数;μt为湍流动力粘性系数.

选择SST剪切应力输运模式来对湍流进行模拟，即在边界层边缘和自由剪切层采用k-ε模式，而在近壁面区域(y+＜2.5)使用k-ω模型中的低雷诺数公式，两者之间通过混合函数来过渡［12］.已经证明该模式在湍流粘性底层比k-ε具有更好的数值稳定性，并且对于较缓的逆压梯度流动，该模式在对数律层能较好地模拟边界层的流动特性.

湍动能方程:

湍流耗散率方程:

基于SIMPLE算法，应用有限体积法将控制方程和边界条件做相应的离散，采用全隐式耦合求解技术同时求解动量方程和连续方程.采用MFR［13］方法对整个系统进行计算.叶轮流场采用旋转坐标系计算，导叶体、进流段和出流段静止域流场采用固定坐标系计算，各交界面两侧的绝对速度近似认为是相等的，通过周向平均后进行数据传递.计算域的进口与出口分别采用流量进口和静压出口边界条件，环境压力为101 325 Pa.计算时对扬程H和功率P变化进行动态监控，确保计算结果可信.

4 轴流式喷水推进泵水力性能分析

4.1 宏观外特性

CFD计算得到设计泵扬程和效率特性曲线分别如图 7、图 8所示，可得:设计点泵扬程 H=2.76 m/s，达到了设计要求，且在较宽流量范围内具有较高的效率，验证了设计的成功性和合理性.低流量工况的扬程和效率都明显高于020Q84喷水推进泵，高流量工况的效率低于020Q84试验数据.

图7 扬程－流量曲线Fig.7 Performance curve of flow －head

图8 效率-流量曲线Fig.8 Performance curves of flow-efficiency

4.2 流态分析

图9是轴流式喷水推进泵内部流场特性.(a)图中流体经叶轮做功加速和导叶整流后高速喷出，解释了喷水推进的工作原理.流体进入叶轮时，吸力面进水边附近一低压窄带易发生汽蚀;(d)图所示是叶轮叶片不同叶高(即相对半径)位置处静压随各剖面弦线的分布，横坐标x/c表示取压点位置距导边距离x与弦长c的比值.由压力分布的过渡均匀性可知，叶片设计是合理的.沿叶轮径向压力面与吸力面压差逐渐增大，做功能力逐渐增强，这正是变环量设计应用的结果.

图9 泵内流场分布Fig.9 Interior flow field of waterjet axial-flow pump

4.3 设计工作的进一步改进

由图10得导叶后截面出流存在较明显的速度周向旋转分量，这部分能量是不利于产生推力的.导叶凹面也存在流动分离和涡旋现象.应该调整导叶的进口角以更好的适应来流方向，并通过修改导叶进口与出口之间叶片安放角的过渡规律来改善整流效果，提高泵整体效率.

增大叶轮叶片的进口安放角度以减小叶片头部撞击损失、有效提高效率，同时改善叶片吸力面进水边附近的压力分布、优化抗汽蚀性能.

泵的设计工作点处于效率峰值点右侧工作，虽然效率较高，但该区域效率下降较左侧明显，这对泵长期运行时的稳定性是不利的.

图10 可进一步优化的流场分布Fig.10 Flow field needing further improvement

5 结束语

基于轴流泵的基本设计理论，依托Matlab-Simulink、SolidWorks软件建立了轴流式喷水推进泵CAD设计平台，实现了叶轮和导叶的水力设计程序化和三维造型参数化.依托CFD技术实现对轴流式喷水推进泵内三维流场的数值模拟和性能预测，通过反复的修改优化得到具有良好性能的轴流式喷水推进泵.该平台的应用，可以减少轴流式喷水推进泵设计中的试制次数，有效降低研发费用和缩短研制周期，对加速喷水推进泵的设计开发和促进喷水推进在国内舰船上的应用有积极意义.

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