进口长度对船舶喷水推进器进水流道性能的影响

史 俊，冯学东，李光琛，张 文

(镇江四洋柴油机制造有限公司，江苏 镇江 212003)

进口长度对船舶喷水推进器进水流道性能的影响

史 俊，冯学东，李光琛，张 文

(镇江四洋柴油机制造有限公司，江苏 镇江 212003)

通过改变某喷水推进泵进水口的长度和进口处流道背部的曲线形状，建立4种不同进口长度的流道模型，计算比较不同模型在不同进速比IVR条件下进水流道内部流场的流动特征。从进水流道的出流均匀性、壁面压力分布情况和流动分离情况几个方面分析不同进口长度在不同的工况下对喷水推进系统进水流道性能的影响。结果表明，适当增加进水流道的进口长度有助于改善进水流道的流动性能。

喷水推进；进水流道；进口长度；数值模拟

进水流道是喷水推进系统重要的组成部分。喷水推进器工作时，上游来流只有少部分通过进水流道被喷泵吸入，其余大部分通过船底向后流动。流道结构及喷泵工况的变化都会引起进水流道内部流场的变化，从而对喷泵的性能产生影响。研究发现喷水推进器工作过程中，有7%～9%的输入功率会在进水流道内损失[1]，喷水推进装置和船体结构之间的相互作用对推进装置效率的影响可以高达20%，相互作用主要位于进水口附近[2]。

对喷水推进系统进水流道的研究主要采用数值模拟和模型试验等方法[3-10]。最近几年对喷水推进装置的流道设计越来越多地采用数值模拟的方法来进行计算和分析[11-12]。在进水流道的所有几何参数中，流道的出口直径和高度、入口唇角和进口的长度等参数对进水流道的流体性能有着决定性的作用。拟通过调整进水流道的进口长度来对流道的设计进行优化，利用CFD的方法对某型喷水推进泵进水流道的流场进行数值模拟，分析不同的工况条件下进水流道进口长度的改变对喷水推进泵性能的影响，为喷水推进泵的优化设计提供依据。

1 研究对象

研究对象见图1，进水流道的进水口采用“半椭圆+矩形”的结构，为保证进水流道的光顺性，在进口与船底相交的位置进行倒圆。选取4个不同的进口长度设计方案，记为La1、La2、La3、La4，进水流道其他的参数保持不变，进口长度的改变影响进水口面积，即进口长度越大，进水管道进水口的面积就越大。各方案具体几何规格见表1。

mm

进水流道的背部曲线与流道上部和船底光滑相切，为更好地观察流道弯管的出流情况，缩短了流道出口水平段长度以减弱其整流作用。

2 数值方法

2.1 计算域几何模型和网格

叶轮的进口直径和进水流道的出流口直径同为D=192 mm。进水流道的性能与船体结构，以及工况密切相关，在实际情况中，吸入的水流会受到船体边界层的影响，因此在计算分析的过程中需要把进水流道进水口附近区域及部分船体纳入流场的控制区域。参照文献[4]对于流场计算区域尺度的研究及分析，将控制流场的长、宽、高分别设定为进水流道出流口直径的20倍、10倍和8倍。见图2。

图2 计算域几何模型

进水流道与船底流场控制域采用六面体结构网格进行网格划分，在流道和轴的近壁面处以及流道与船体过渡区域流场变化较大的区域进行网格加密处理。见图3，将进水流道进行分段加密，使控制流场的网格在密度上形成合理的过渡。整个计算流场的网格数量为110万左右。

图3 计算域网格划分

2.2 控制方程和湍流模型

在定常的条件下，进水流道内流场的模拟计算采用不可压缩的三维连续方程和RANS方程来进行求解。不可压缩均质流体连续方程：

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(1)

动量方程：

(2)

选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型，可以精确预测流动的开始以及负压力梯度下流体的流动分离。湍流动能k和特定耗散率ω的输运方程如下。

(4)

式中：Γk、Γω——扩散系数；Gk、Gω——湍流产生项；Yk、Yω——湍流耗散项；Dω——横向扩散项[11]。

2.3 边界条件和求解计算

控制流场上游来流面设为速度入口边界，流道的出口断面采用零速度梯度。船体的壁面及进水流道的壁面均设定为无滑移壁面。采用有限体积离散控制方程和湍流方程，对近壁面区域的流动计算问题采用壁面函数法。动量方程、湍流动能方程和耗散率方程均采用二阶迎风格式，收敛精度为10-5。

3 计算结果分析

对4种不同进口长度的进水流道在不同工况下进行流动性能计算分析。IVR表示进水流道出流断面的平均流速与船舶的航速之比，是表征推进装置进水流道工作情况的一个重要参数，决定了进水流道的吸流速率和流体的扩散率[13]。进水流道的流动性能将从流道出口流场的均匀性、壁面压力分布情况和流动分离情况几个方面进行分析。

3.1 进水流道出口流场均匀性分析

进水流道的设计目标是使出流断面速度大小均匀，速度方向尽量保持和轴向一致。进水流道出口流场的均匀性从出口断面的速度分布均匀性和垂直性2方面进行分析。距进水流道出口50 mm截面处的速度分布见图4。由图4可见，随着进水流道进口长度的增大，其出流逐渐均匀。分析可知：增加进口长度，使得进水流道相对较长，流道的整流作用时间较长，同时增大了进水流道的入口面积，使进水流道的收缩率变化比较平缓，从而使进水流道的出流更加均匀。

图4 速度分布云图(IVR=1)

进水流道的出流方向与出口断面越接近90°，则说明出流的垂直度越好，喷水推进泵对来流能量的利用率越高。出流的垂直度用出口加权平均角θ来表征，定义如下。

(5)

进水流道不同进口长度的出口截面加权平均角随工况的变化见图5。

图5 加权平均角随进口长度和IVR的变化

由图5可见，出口截面加权平均角随着IVR的增加而增大，这主要是由于IVR增大，进水流道平均流速减小，进水流道对管内流体的整流效果增强。增大进水流道的进口长度，可以使对应的流动角增大，流道的出流方向更垂直于出流面，有利于提高喷水推进泵的效率，但是随着IVR的增大，加权平均角逐渐趋向于稳定，进口长度的改变对出流性能的影响逐渐减弱。

3.2 进水流道壁面压力分布分析与比较

喷水推进装置内部的空化现象会导致其效率降低、噪声及振动加剧，因此在设计的过程中应尽量避免出现空化现象。流道内壁面压力的大小是判断流道是否产生空化的直接依据[5]。壁面上的压力分布采用量纲一的量压力系数Cp来进行量化。压力系数Cp定义为

(6)

式中：p为流道壁面上的压力；pref为参考压力；ρ为水的密度；Vs为船舶的航速。

低速(IVR=1)和高速(IVR=0.6)工况下进水流道上壁面压力系数分布见图6、7，横坐标越大距离流道出口越远，曲线中断的区域是轴与流道的相交处。由图中可以看出，进水流道出口、轴与流道相交处以及进水流道入口处为低压区，入口处由于速度变化较大，压力最低，易产生空化，进口长度较长的进水流道，入口处曲率变化较小，壁面压力系数较大，抗空化性能更好。

图6 IVR=1时进水流道上壁面压力系数

图7 IVR=0.6时进水流道上壁面压力系数

2种工况下进水流道下壁面的压力系数分布见图8、9。从图中可以看出，进口长度的改变对进水流道下壁面压力系数的影响较小，随着IVR的增大，流道壁面压力下降，下壁面要比上壁面更容易出现空化。进水流道在低IVR的工况下，抗空化性能要比高IVR更好。

图8 IVR=1时进水流道下壁面压力系数变化

图9 IVR=0.6时进水流道下壁面压力系数变化

3.3 流动分离的比较及分析

流动分离现象对进水流道的流动性能有着严重的影响，以纵向中剖面上流动分离相对长度L和D对进水流道内部的流动分离现象进行定量比较和分析。其中：L为实际分离的长度；D为流道直径。不同进口长度的流道模型在不同工况下流动分离的对比见图10。

图10 进水流道的流动分离随着IVR变化

由图10可见，几种模型的流动分离长度均随着IVR的增大，呈先减后增的趋势，在低IVR工况，由于来流速度较大，因此流动分离也较为严重。由于进口长度大的进水流道相对较长，对流道内的流体有更好的整流作用，因此其流动分离长度也相对较小。

4 结论

1)通过CFD方法对喷水推进器进水流道的流动性能进行模拟，分析不同进口长度对进水流道性能的影响，可以为喷水推进器进水流道的设计提供参考，从而提高设计过程的效率，降低产品开发成本。

2)在IVR较小的条件下，增大进口长度对进水流道性能的提高具有较明显的作用，随着IVR的增大，其效果逐渐减弱，进口长度的改变对进水口唇角处的影响变小。

3)进水流道的流动分离现象随着IVR的增大，呈先减后增的趋势，进口长度较大的进水流道，流动分离长度较小。

[1] VERBEEK R. Recent development in waterjet design [C]. Proceedings of International Conference on Waterjet Propulsion II. Amsterdam, Netherlands, 1998.

[2] VAN TERVISGA T J C. The effect of waterjet-hull interaction on thrust and propulsion efficiency [C]. Proceedings of the First International Conference on Fast Sea Transportation Conference . Trondheim, Norway, 1991.

[3] A Llison J. Marine waterjet propulsion [J]. SNAME Transactions. 1993,101:275-335.

[4] 常书平，王永生，庞之洋，等.喷水推进器进水流道内流场数值模拟与分析[J].武汉理工大学学报，2010，34(1)：47-51.

[5] 刘润闻，黄国富.入口唇角对喷水管道流动性能影响的数值分析[J].中国造船，2011，52(1)：39-45.

[6] 王绍增，王永生，丁江明.喷水推进器进水流道及其格栅的优化设计研究[J].船舶力学，2014，18(4)：357-362.

[7] 常书平，王永生，庞之洋，等.喷水推进流道格栅的流体作用力分析和强度计算[J].舰船科学技术，2010，32(1)：110-114.

[8] 王永生，王绍增，靳栓宝，等.装有格栅的进水流道进水口流通能力的研究[J].华中科技大学学报，2012,40(10):72-77.

[9] 于富强，丁江明，杨卫国，等.喷水推进器进水流道进流面形状研究[J].舰船科学技术，2009.31(4):54-57.

[10] 丁江明，王永生. 喷水推进器进水流道参数化设计方法[J].哈尔滨工程大学学报，2011,32(4):423-427.

[11] 靳栓宝，王永生，杨琼方.基于CFD喷水推进泵性能分析及其优化设计[J].船海工程，2010,39(2)：125-129.

[12] 韩小林.用数值模拟研究转速变化对喷水推进轴流泵性能的影响[J].船海工程，2008,37(2)：134-137.

[13] 魏应三，王永生，丁江明.喷水推进器进水流道倾角与流动性能关系研究[J].舰船科学技术，2009,31(4)：48-53.

Influence of the Inlet Length upon Hydrodynamics Performance for Ship’s Water Jet Propulsion

SHI Jun, FENG Xue-dong, LI Guang-chen, ZHANG Wen

(Zhenjiang Siyang Diesel Engine Manufacturing Co. Ltd, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

By changing the inlet length and the back curve of the inlet passage, 4 different models of the inlet passage were established to calculate and compare the flow performance of the different models at different inlet velocity ratio. The performance of inlet passage in different working condition and inlet length was analyzed from three evaluation index, such as outflow uniformity, wall pressure distribution and flow separation. The results showed that increasing the length of the inlet properly is benefit for improving the performance of the inlet passage.

water jet propulsion; inlet passage; inlet length; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.018

2016-04-11

江苏省科技支撑计划项目(BE2010160)；镇江市科技成果转化项目(CZ2009002)

史俊 (1965—)，男，学士，工程师

U664.34

A

1671-7953(2016)06-0081-05

修回日期：2016-05-16

研究方向:船舶动力装置设计

E-mail:sunshineccy@126.com