淹没式喷嘴反推力测量及其系柱试验装置设计

2019-04-22，，，，

液压与气动 2019年4期

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(大连海事大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116026)

引言

近些年来，由于海洋工程行业发展迅速，ROV因其操作方便、安全、高效等优点，越来越广泛地应用在水下结构物安装检测、海底调查、打捞作业等多个领域[1]。而喷嘴自身具有结构简单、噪声低、易于矢量调节、清洁环保等特点，适合用作ROV的推进器[2-3]。

反推力的大小是衡量推进性能的重要指标，反推力是高压水的压力和黏性阻力作用在高压腔和喷嘴上的综合效果[4]。以往，在计算反推力时，都采用动量定理或高压腔内外表面压力分布来对射流反推力进行理论分析与计算[5]。随着计算流体力学(CFD)的不断发展，人们已能对许多射流情况进行数值模拟，通过射流过程的仿真计算来优化喷嘴的结构设计。

近年来，杨友胜等一直致力于喷水推进的仿真和试验，对正排水泵喷水推进喷嘴优化，得出指数形优化喷嘴有较好的推进性能和空泡性能，为本研究提供了重要参考。本研究将对几种不同形状的喷嘴的反推力进行理论分析和仿真计算，从而得到喷嘴的最佳形状和结构参数。而在喷水反推力测量方面，杨友胜等[6]设计了一种中高压水射流反推力测试装置，然而，淹没式喷嘴反推力的特性研究还开展得不够。为了使喷水推进得到更广泛的应用，本研究介绍了淹没式喷嘴反推力测量及其系柱试验装置，该装置满足淹没式喷嘴实际工况，为喷水推进系统提供了良好的试验条件。

1 喷嘴反推力仿真计算

1.1 物理模型

喷嘴反推力通常使用基本动量定理来计算，可以表达为：

F=ρ·q·v=ρ·A·v2

(1)

式中，F—— 反推力

ρ—— 液体的密度

q—— 液体的流量

A—— 喷嘴出口的截面积

v—— 通过喷嘴出口的平均流速

反推力的方向与液体射流方向相反[7]。

很显然，该公式与实际情况不符，液体在流过喷嘴内部时，液体密度等会发生变化。为了提高计算喷嘴反推力大小的准确性，通过使用CFD对喷水反推力研究是非常必要的。以锥形喷嘴为例，简化模型如图1所示，该模型由1个高压腔和1个喷嘴组成。高压水通过入口进入高压腔，然后从喷嘴出口喷出。

图1 锥形喷嘴简化模型

为了简化计算，需做几点假设：

(1) 高压腔为轴对称，水为理想流体，稳定，不可压缩；

(2) 高压腔处于未改变的环境中，并且在水流方向上没有运动；

(3) 流体重量和剪切力对反作用力的影响可以忽略不计[8]。

1.2 划分网格和边界条件

为了更加符合真实情况，本研究建立三维立体喷嘴模型。在GAMBIT中划分喷嘴网格，边界条件设为压力入口、压力出口和壁面，并且壁面被认为是隔热的，壁面和流体之间没有热交换。将划分好的网格导入Fluent软件中，在入口边界处：总压力pin为8 MPa，初始压力pini为8 MPa。本研究喷嘴为淹没式，水深为10 m，所以出口边界：总压力pout为0.1 MPa，操作压力为标准大气压pa为0.101325 MPa。由于雷诺数较大和水饱和蒸气压较高，所以RNGk-ε湍流模型和多相流(水和水蒸汽)与壁面功能结合使用。工作介质为ρ为998.2 kg/m3的自来水，水的黏度μ为1.003×10-3Pa·s，水蒸气的ρv为0.02558 kg/m3，μv为1.26×10-6Pa·s，并假定密度和黏度与温度无关。通过Fluent后处理文件，计算出喷嘴反推力。

2 试验

2.1 试验装置

根据螺旋桨系柱推力试验方法，提出并设计了一种喷嘴反推力测试装置，如图2所示。试验动力源由直流电机驱动的岸基Danfoss高压海水泵APP 8.2供给，通过液压管路供给到喷嘴，从喷嘴喷出到深水中。通过控制直流电机的转速从而控制入口流量，溢流阀调节喷嘴入口压力从0～8 MPa，水温度控制在20 ℃左右，入口压力和温度均由泵源上的压力传感器和温度传感器测得。系柱装置将测试喷嘴固定在ROV浮体框架上，拉绳经过2个固定在水池岸边壁架上的定滑轮导向，并与拉力传感器连接并固定，则拉力传感器测得的力经过摩擦力修正后就是喷嘴反推力。

图2 系柱测量喷嘴反推力原理示意图和试验现场图

试验中喷嘴测试样本分为4种类型，第一类样本为不同的锥角，包括1#，2#，3#和4#喷嘴；第二类样本为不同的出口直径，包括2#，5#和6#喷嘴；第三类样本为不同的入口直径，包括7#，8#和9#喷嘴；第四类样本为不同的形状，包括1#，9#，10#和11#喷嘴。具体尺寸如表1所示。

表1 测试喷嘴样本尺寸

2.2 试验结果与分析

探究喷嘴反推力在入口压力一定的情况下，喷嘴的各种参数对反推力大小的影响，对单个喷嘴分别进行了仿真和试验，结果如图3～图6所示。图3和图4是压力在0～8 MPa时，喷嘴水射流反推力与喷嘴锥角和喷嘴出口直径的关系。仿真和试验结果如图所示，反推力都随着锥角的增大而减小，这是因为随着锥角的增大，高压水流在锥角处的局部压力损失也就越大,从而导致水射流动能减小，即出口射流速度减小, 所以反推力减小。在入口压力相同、泵所提供的流量充足的情况下，随着出口直径的增加，反推力也随之增大。这是因为在一定出口直径范围内，压力所导致的喷嘴出口速度变化影响没有出口面积影响大，但必须考虑流量问题。所以喷嘴出口直径应在流量允许情况下尽量取较大值,且锥角越小越好。然而无限制地减小锥角将导致喷嘴长度无限制增加，相应的造价也会提高很多。

图3 锥角与反推力的关系

图4 出口直径与反推力的关系

图5 入口直径与反推力的关系

图6 形状与反推力的关系

图5和图6是压力在0～8 MPa时，喷嘴水射流反推力与喷嘴入口直径和喷嘴形状的关系。仿真和试验表明，在入口压力一定时，反推力会随着入口直径的增大有增大的趋势，但是增大的数值并不大，这是因为喷嘴出口速度主要由出口直径影响，入口直径的变化在一定范围内造成的沿程压力损失和局部压力损失并不大。而在形状对喷嘴反推力影响方面，总体上内凹圆弧形喷嘴和cos函数形喷嘴在反推力数值大小差异上并不大，在高压时内凹圆弧形喷嘴推力较高，但是与锥形和圆柱形喷嘴反推力相比都有较大的提升，说明喷嘴形状变化越平缓造成的局部压力损失越小，喷嘴出口速度越大，反推力就越大。所以想提高喷嘴反推力，应优先考虑其内部形状变化，越平缓越好，而增加喷嘴入口直径对增大反推力效果并不明显。