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基于仿生翼型喷水推进泵叶轮的空化特性

2022-06-08苏晓珍栗文静解文辰宋飞常海燕王璐

关键词:汽蚀鲟鱼扬程

苏晓珍,栗文静,解文辰,宋飞,常海燕,王璐

(1. 合肥城市学院,安徽合肥 230001;2. 合肥恒大江海泵业股份有限公司,安徽合肥 230001)

喷水推进泵是水力机械中一种新型泵,它通过喷嘴喷射水流产生的反作用力使装置前进[1-3],具有结构简单、重量轻等特点,广泛应用于核潜艇、船舶、鱼雷导弹、水下滑翔机等军事领域的推进装置中。喷水推进泵的流动声学研究及其降噪愈来愈被人们所关注,不仅因为这类泵在军事领域的广泛应用,还因为其特殊的几何配置,使内流机制有别于其他离心式流体机械,由此所引起的气动噪声有其自身的特点[4-5]。此外,当舰艇在中、高速航行时,喷水推进泵旋转噪声随航速增大而增强,逐渐超过低频线谱,成为潜艇的主要噪声;随着转速不断提高,泵更易发生空化现象,一旦推进器的叶片产生空泡,噪声将显著增强。空化噪声是潜艇的主要噪声[6-8]。因此,从涡动力学理论出发,研究喷水推进泵内部复杂的湍流流动及诱发流动噪声机理,并开展内部涡流动分析,改善空化性能、降低噪声,是很有必要的。

本文将水力机械流动理论、空化动力学理论有机结合[9-11],采用仿生学原理开展喷水推进泵内部复杂漩涡流动数值模拟,结合模型泵试验,研究空化的产生、发展及溃灭过程机理,以及能量变化规律等,寻找水力性能下降的主要原因[12],并将仿生翼型与目前具有最优性能的NACA4410翼型和791翼型进行比较分析,探寻不同翼型喷水推进泵叶轮的内部空化流动特性。

1 模型的建立

1.1 鲟鱼翼型的建立

鲟鱼的进化历史久远,亿万年前就有它的踪迹,长期的优胜劣汰已经使鲟鱼身体结构调整到最适合水下活动状态。本文利用鲟鱼身体的外形曲线设计仿生翼型,并对鱼嘴附近的仿生翼型骨线进行局部调整,借助CFD技术对仿生翼型进行水动力特性分析,获得较为优越的仿生翼型。

选择不同体型的3条鲟鱼作为研究对象,利用缺氧技术使鲟鱼自然死亡,确保其外结构没有损坏。将鲟鱼放在专用扫描平台上,使鲟鱼伸展并固定,然后在其周围放置专用数据采集贴片(paster,图1)。采用S702型巨影工业级激光(laster)3D扫描仪(准确率可达99.97%)进行非接触式扫描。将扫描得到的数据导入Geomagic Design X逆向工程软件,数据处理后可得图2所示的三维模型。

A:扫描实拍;B:扫描后处理。

A:处理前;B:处理后。

鲟鱼三维模型中含有鱼鳍和鱼尾。为了建立翼型,还要获取鲟鱼的外形曲线。首先建立坐标系,以鲟鱼吻突顶尖为坐标原点O,沿鱼长方向建立x轴。为了得到更精准的数据,将鱼身分为20等份,并以Ox轴为分界线将鲟鱼分为上下两部分,则鲟鱼上下部分外形各有20个控制点。设鲟鱼翼面控制点坐标为(xs,f(xs)),按式(1)进行无量纲化处理,可得图3所示的鲟鱼模型外形曲线控制点。

(1)

其中C为翼型的弦长。

图3 鲟鱼模型坐标系及外形曲线控制点

1.2 叶片截面几何结构

在不改变喷水推进泵叶片压力面情况下,改变叶片截面的翼型几何结构,设计3种方案比较分析仿生翼型在水力机械上的性能。3种方案的叶片截面分别采用鲟鱼仿生翼型(FSY翼型)、NACA4410翼型、791翼型进行加厚。3种翼型几何结构如图4所示。

A. FSY翼型;B. 791翼型;C. NACA4410翼型。

2 结果与分析

喷水推进泵是否发生空化与装置汽蚀余量(net positive suction head,NPSH,Ha)有较大的关系。改变泵进口压力,即改变Ha,泵的扬程也会变化。在相同流量工况下,定义扬程降δH为:

δH=Hp/H

式中Hp为Ha变化时大型轴流泵的扬程,H为泵在相同工况下无空化时的扬程。δH=3.00%为空化临界点。改变泵运行工况,采用空化临界点判断标准对装置空化特性进行分析,可得3种方案喷水推进泵扬程与装置Ha的变化规律(图5)。从图5可以看出,Ha在一定范围内减小时,泵扬程基本保持不变,然而当Ha减小到一定程度后,泵扬程急剧下降。3种方案的变化规律相似。叶片为FSY翼型结构时,随着Ha减小,扬程变化缓慢,Ha=3.56 m时,泵扬程下降3%(δH=3.00%),即泵的必需汽蚀余量(necessary NPSH,Hr)为3.56 m。同理可得,叶片为NACA4410翼型结构时,泵的必需汽蚀余量为3.71 m,叶片为791翼型结构时,泵的必需汽蚀余量为3.82 m。

A. FSY翼型;B. NACA4410翼型;C. 791翼型。

叶片为FSY翼型结构时,Ha不同,则叶片吸力面空化分布情况不同(图6)。从图6可以看出,随着喷水推进泵装置Ha的降低,空化区域(即气泡覆盖叶片的面积)逐渐增大。Ha=5.19 m时,叶片吸力面开始出现空化现象,空化区域主要分布在叶片外缘(叶顶)处。根据图5,此时喷水推进泵扬程下降不足3%,对泵的外特性影响相对较小。随着Ha的降低,空化区域从叶顶不断向叶片出口方向发展,径向则不断向轮毂方向发展,甚至迅速扩展到几乎整个叶片吸力面。当Ha=3.11 m时,空化区域已经延伸到叶片出口附近。

A. Ha=5.19 m;B. Ha=4.75 m;C. Ha=3.51 m;D. Ha=3.11 m。

叶片为NACA4410翼型结构时,不同Ha下叶片吸力面空化区域分布情况如图7所示。当Ha=5.74 m时,叶片吸力面外缘处出现少量气泡(蓝色代表空化区域),根据图5,此时泵的扬程并未发生明显变化,可以断定这些气泡并不影响流体主流。随着Ha的下降,空化区域的变化情况与FSY翼型结构叶片相似,不断向叶片出口方向和轮毂方向延伸。当Ha=3.17 m时,气泡已经包裹整个叶片吸力面。

A. Ha=5.74 m;B. Ha=4.21 m;C. Ha=3.56 m;D. Ha=3.17 m。

叶片为791翼型结构时,不同Ha下叶片吸力面空化区域分布情况如图8所示。可以看出,791翼型结构与NACA4410翼型结构的空化区域具有类似的变化规律。3种翼型结构的不同之处是,当达到临界汽蚀余量时,3种叶片吸力面附近的空化区域面积不同。当Ha=5.19 m时,FSY翼型结构的叶片气泡量最少,NACA4410翼型次之,791翼型最多。气泡量的多少并不是影响泵性能的主要因素:当气泡量较少,还不足以改变叶轮内部流体流动的主流时,扬程的变化可以忽略不计;当若气泡量过多,则空化会对泵产生显著影响。

轮毂到轮沿的中间部分为0.5(Blade-to-Blade=0.5)时,3种方案的空化体积分数分布如图9所示。可以看出,在必需汽蚀余量条件下,FSY翼型结构叶片的空化主要发生在叶片最大厚度后方,这是因为流体在叶片最大厚度后方出现流动分离现象和局部低压区,而低压区的压力小于当前温度下流体气化压力,所以出现气泡。与NACA4410翼型结构叶片(图9B)相比,FSY翼型结构叶片内部的气泡量明显较少。与791翼型结构叶片(图9C)相比,FSY翼型结构叶片空化出现的位置离叶片出口更近。一般,流体流动产生流动分离的位置位于叶片最大厚度处,最大厚度后方则会出现局部低压区。而叶片旋转做功过程中,离叶片出口越近的位置,压力越大,抗空化性能越好。因此,叶片最大厚度离叶片出口近,有利于减少空化现象。

A. Ha=6.26 m;B. Ha=5.74 m;C. Ha=4.21 m;D. Ha=3.70 m。

A. FSY翼型,Hr=7.19 m; B. NACA4410翼型,Hr=3.71 m; C. 791翼型,Hr=3.82 m。

为捕捉流体流动的涡形式,采用流体机械领域应用较为广泛的Q准则识别法,对3种方案必需汽蚀余量下的涡量分布情况进行描述,结果如图10所示。

A. FSY翼型,Hr=7.19 m;B. NACA4410翼型,Hr=3.71 m;C. 791翼型,Hr=3.82 m。

根据图10,FSY翼型结构叶片的涡量主要分布在叶片进口前缘处、叶片最大厚度处、叶片出口处等部位,而NACA4410翼型结构叶片、791翼型结构叶片的涡量则主要分布在叶片进口、叶片出口附近。另外,FSY翼型结构叶片的涡量分布区域较小、较分散,NACA4410翼型结构叶片的涡量分布范围大,不稳定区域大。

3 试验验证

为验证数值模拟的可靠性,在具有一级精度的闭环式工作台上进行小型水洞试验(图11),测试和优化仿生翼型水动力特性。试验装置包括HLT-131B型电机、HLT-138型扭矩仪、LDX186A1S2G2C51GP型压力计、数显式电磁流量计、D71X-16型进口阀和出口阀等。

图11 小型水洞试验装置

泵空化性能的数值模拟结果和试验结果见图12。在设计工况下,改变装置汽蚀余量,CFD数值模拟扬程结果略大于试验结果,但两者的变化趋势基本相同。当Ha≥5 m时,随着Ha的降低,扬程基本保持不变;当Ha<5 m时,随着Ha的降低,扬程迅速减小。Ha=4.71 m,泵的扬程下降3.02%,可近似为空化临界点。试验所得泵的必需汽蚀余量为Hr=4.55 m,数值模拟结果与试验结果的误差为3.64%。因此,数值模拟能从水力性能和空化性能方面准确预测泵内部流动状态。

图12 空化性能的数值模拟结果和试验结果

4 结论

采用仿生技术,使用数值模拟和模型试验相结合的方法,对仿生翼型设计的喷水推进泵叶轮空化性能进行研究,并与经典的NACA4410翼型、971翼型进行比较分析,结果为:仿生翼型泵所需汽蚀余量最小,为3.56 m(δH=3.00%),叶片气泡量和气泡覆盖面积最少,稳定性较好,抗空化性能最好;仿生翼型模型叶轮试验测试结果与数值模拟结果相对误差较小,满足数值模拟计算误差要求。结果表明,所采用的仿生翼型在喷水推进泵模型优化上具有一定的应用价值。

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