对影响喷水推进器水动力性能的若干因素的探讨

梁晓峰

摘要：随着现代船舶制造行业科技水平的不断提升，对船舶的速度性能和隐声性能等方面提出了更高的要求。喷水推进器是船舶制造行业中的一个非常重要的设备，其自身有效率高、振动小和噪声低等一系列的优点，日益受到专业人员的重视。对喷水推进器水动力性能的若干影响因素进行研究是改进其某些参数进而提高工作效率的重要方面，也是对其工作性能进行改良的原理基础。

关键词：喷水推进器；水动力性能；影响因素

一直以来喷水器推进器的研究主要依靠实验手段，但是受到实验模型、实验条件、实验方法等因素的限制，其实验效果不大理想，难以满足实际生产的需要。基于此，数值模拟的方法就受到了广泛的欢迎，一方面它的实验条件简单、易于控制，费用低，实验结果比较可靠，另一方面它能够弥补理论研究和实验研究在复杂流动条件下的缺点。现在数值模拟的数学基础是粘性流理论，这也成为在船舶推进系统中比较复杂的几何和物理性质条件下进行精确求解的重要方法。

1.湍流流动的数学表示

喷水推进器在正常运转时，其高速旋转的叶轮会导致流体状态的变化，当其表征状态的雷诺数超过临界值时，就会引发非稳态条件下的湍流，这是一种比较复杂的水流状态，在数学表示上，必须基于一定的假设采用数学模型的形式来满足方程组封闭的条件，把难以确定的值转化为低阶的可以确定的数值。采用Reynolds时均方程方法来研究喷水推进过程中激发的湍流。

为了表示出流动变量，将其转化成时均值和脉动值代数和的形式：

u= +u′，v= +v′，ω= +ω′，p= +p′

为了表示出时均连续方程和雷诺方程，我们在其中引入了张量的指标形式：

其中，脉动值的乘积项 被称为雷诺应力，由于它的存在，加大了动量方程解算的难度，在处理时我们采用涡粘流体模型不直接对其进行处理，通过引入涡粘系数的间接方式，将湍流应力表达成湍流粘度的数学函数，从而建立雷诺应力和平均速度梯度之间的数学模型。

2.数值模拟的参数设置

在进行数值模拟的时候，网格的划分是一个非常重要的因素，网格划分质量的好坏对数值模拟的成功具有重要的影响。其中，划分过于稀疏或者过于稠密都会给计算结果添加附加误差甚至完全错误。由于喷水推进器内部叶轮的形状不规则，所以对于面网格的划分采用三角形网格的形式，对于体网格采用四面体/六面体混合型的网格划分形式。同时为了满足计算精度要求，在一些关键的部位或者研究重点部位采用了网格加密的形式，以便得到重要的流场信息，这样进行设置的好处是既提高了模型的计算精度，同时也避免了在流场变化比较平稳时的冗余计算。

3.影响喷水推进器水动力性能的若干因素

3.1叶片安装角

当叶片安装角度发生一定变化的时候，推进器的整体动力性能也发生相应的变化。笔者在-4°、-2°、0、+2°、+4°五种参数状态下研究喷水推进器的性能变化，得出：随着叶片安装角度的增大，推进器的扬程、功率有提升的现象，在小流量状态下，叶片安装角为负值时运行效率较高，随着流量增加，安装角越大，其效率越高。所以根据实际条件将叶片安装角在一定范围内合理调整对喷水推进器的工作性能提升是有帮助的。

3.2轮毂比

喷水推进器的轮毂比被定义为叶轮轮毂的直径和叶轮外径的数学比值，在水动力性能研究方面，轮毂比是一个表征内部结构的重要参数，对推进器的性能有很大的影响。从技术原理上来看，轮毂比相对较大的叶轮，其叶片的长度较短，整个叶轮的通流面积下降，那么因为叶片壁面摩擦的能量损失变大，导致推进器整体效率下降。而轮毂比如果太小的话，叶片的长度和叶轮的通流面积会有所增加，因为叶片壁面的摩擦造成的损失就会减小，但是轮毂比如果太小的话，很长的叶片在运转的过程中会加大叶片的扭曲程度，使流体规律性的流动更加紊乱，形成二次流现象，对推进器的性能产生消极影响，因此，对于推进器而言，轮毂比太大或者太小都会对推进器的性能和效率产生影响。

3.3叶片数

叶片数也是影响推进器水动力性能的重要参数，必须认真考虑叶片数的合理选择问题。在数值模拟时，叶片数的变化实际上只反映了叶栅稠密程度的变化。实验条件下可以在转速保持不变的情况下，通过改变叶片数的数量设置来进行。其结果表明：第一，随着叶片数的增加，推进器的扬程、功率和效率都相应增加，但是效率增加的幅度不大，也就是说叶片数变化对效率的影响作用不是很大。第二，推进器的叶片在增加的过程中，流量-扬程曲线逐渐在流量比较大时趋近于一点。第三，尽管扬程、功率和效率随着叶片数增加而相应增加，但是增加的幅度是随之减小的，因为在大流量的条件下，叶片的数量越多，其在正常运转时，相邻叶片越容易产生相互之间的干扰，导致涡流的产生，使推进器的性能参数发生一系列的变化。

3.4径向间隙

径向间隙是指推进器的叶片顶端到泵壳之间在径向上的间隙值，尽管它的数值不是很大，但是对通道内的流体流动会产生较大影响。比如：叶尖间隙流动会造成叶尖附近的功率值减小，使通道内的损耗增加乃至堵塞，对喷水推进器的扬程、效率等性能参数影响显著。径向间隙导致了叶顶泄露流动的发生，究其原因是因为水流从通道内压力侧一面流入间隙时速度会发生非常大的变化，分离后又在某一位置重新附着，泄露流和二次流之间的相互作用以及它们之间的复杂关系，最终形成了泄露涡。通过对不同的径向间隙进行数值模拟计算表明：间隙的不断增大，推进器的扬程、功率和效率性能参数都下降，且幅度比较大。

4.结语

本文对喷水推进器的影响因素进行了探讨，重点论述了在进行数值模拟计算时的模型选择、参数设置以及若干影响因素的作用机理，希望对推进器的研究工作有所帮助。

参考文献：

[1]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A辑，2008（05）

[2]李晓晖，朱玉泉，聂松林.一种新型喷水推进器的设计及其关键技术[J].液压与气动，2008（05）

[3]瑞典开发新型喷水推进器控制系统[J].船舶物资与市场，2012（01）