基于流固耦合的噴水推進(jìn)泵小流量區(qū)的動態(tài)特性研究分析.pdf

1、在最近二十多年來，噴水推進(jìn)技術(shù)才開始得到重點(diǎn)研究，并得到了巨大的發(fā)展，尤其是在高速高性能的船舶上，陸地海上的兩棲用的車輛以及在一些淺水作業(yè)上也都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。相比較于傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，以噴水推進(jìn)泵（混流泵）為核心的噴水推進(jìn)系統(tǒng)具有在高航速的時候效率更高，抗空化空蝕性能更好，機(jī)動性和操作更便捷，并且吃水淺，相對而言阻力更小，能夠適應(yīng)不停變化的運(yùn)行工況，水下聲輻射較小等眾多優(yōu)點(diǎn)，在很多的發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)普遍地投入到實(shí)際應(yīng)用中。本

2、世紀(jì)以來，隨著我國對噴水推進(jìn)技術(shù)需求的逐漸增長，相關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)也得到了不小的提升和發(fā)展，噴水推進(jìn)技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]，但是不可避免的會出現(xiàn)一般混流泵都會存在的問題，在高速運(yùn)行的系統(tǒng)上，混流泵在啟動過程中，會經(jīng)常運(yùn)行經(jīng)過馬鞍區(qū)，水泵在小流量工況下運(yùn)行工作的時候，會呈現(xiàn)出振動、噪聲等很多由流動不穩(wěn)定性引起的一系列問題，而混流泵內(nèi)部流動是非定常流動，會導(dǎo)致內(nèi)部流體不穩(wěn)定的脈動，而就此引發(fā)的水力激振力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，而長時間

3、的交變載荷的作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效，這會減少機(jī)組的使用壽命，造成結(jié)構(gòu)的破壞，降低其運(yùn)行效率，會造成巨大的損失。因此，對噴水推進(jìn)泵（混流泵）進(jìn)行內(nèi)流場分析和靜力結(jié)構(gòu)分析對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。
　　本文在國家自然科學(xué)基金（51579118，51479083）、江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2015064-08）資助下，以Wartsila公司生產(chǎn)的噴水推進(jìn)泵為模型進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得的成果如下：
　?。?）

4、采用UG8.5商用三維造型軟件對噴水推進(jìn)泵（混流泵）建立三維結(jié)構(gòu)域進(jìn)行建模，包括全流場域（進(jìn)口、葉輪、導(dǎo)葉、出口）和結(jié)構(gòu)域（導(dǎo)流帽、葉輪、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)軸），利用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD，對全流場進(jìn)行高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對結(jié)構(gòu)域則是利用ANSYS WORKBENCH14.5平臺自帶的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，采用大渦模擬方法（LES）對流體域進(jìn)行非定常多工況全流場數(shù)值模擬。
　?。?）對不同監(jiān)測點(diǎn)處的壓力脈

5、動進(jìn)行時域和頻域分析，可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口處的主頻為葉頻，隨著監(jiān)測點(diǎn)逐漸靠近壁面，壓力脈動幅值越大；在葉輪出口，低頻范圍變大，主頻向低頻方向偏移；在導(dǎo)葉出口位置，壓力脈動頻率范圍集中偏向低頻區(qū)域，脈動幅值明顯有所下降，隨機(jī)脈動占據(jù)了主要位置；在小流量工況下，低頻成分范圍增加，脈動成分更加復(fù)雜，脈動幅值相對更大。
　?。?）對噴水推進(jìn)泵進(jìn)行內(nèi)部流場分析，可以看到，壓強(qiáng)由進(jìn)口端到出口端呈現(xiàn)遞增趨勢，壓力面上的靜壓分布從進(jìn)口到出口、從輪轂到輪

6、緣逐漸增大，葉片靜壓的高壓區(qū)域從葉片的中上部分轉(zhuǎn)向發(fā)展到出口附近，葉片吸力面的壓力從葉片的前緣到出口先增大后減小后再增大；跨距對吸力面靜壓載荷影響較小，但是對壓力面的影響卻很顯著；在小流量工況下，在導(dǎo)葉的吸力面附近產(chǎn)生大量的漩渦渦團(tuán)，從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口，漩渦大小先增大后減小，渦核附著在壓力波動最小的導(dǎo)葉吸力面中間葉高區(qū)，隨著渦團(tuán)的發(fā)展，渦團(tuán)逐漸從靠近導(dǎo)葉吸力面葉高區(qū)脫落，隨著流量的增加，流道中的不穩(wěn)定渦團(tuán)顯著減少；在大流量工況下運(yùn)行的時候

7、，軸向力隨著流量的增加而減小，當(dāng)流量減小，運(yùn)行在駝峰區(qū)域的時候，軸向力卻和流量呈現(xiàn)了正相關(guān)的關(guān)系，即軸向力隨著流量的增加逐漸增加，隨著揚(yáng)程的增加而逐漸增大。
　?。?）基于單向流固耦合技術(shù)對噴水推進(jìn)泵的轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：在葉輪進(jìn)口輪緣附近出現(xiàn)了最大變形，從輪轂到輪緣變形逐漸變大，葉片的徑向變形從輪轂到輪緣先減小后增大，變形量遠(yuǎn)小于總變形量；周向變形變化規(guī)律與總變形規(guī)律相似，且變形值和總變形值十分接近，表明周向變形是葉輪葉

8、片變形的主要原因；壓力面靠近輪轂附近出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)，甚至出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象；固體結(jié)構(gòu)在流體的反作用力和其他載荷的共同作用之下發(fā)生了明顯的應(yīng)力剛化，結(jié)構(gòu)在各個方向上的剛度都有了明顯的提高。
　?。?）基于流動控制思想，采用輻條技術(shù)之后，駝峰區(qū)有了明顯的改善，有效地減弱了葉輪進(jìn)口截面的低頻壓力脈動，改善了小流量工況下的非穩(wěn)定流動特性；隨著輻條厚度d和數(shù)量n的增加，水泵的水力性能得到改善，揚(yáng)程得到提升，但是當(dāng)厚度和數(shù)量進(jìn)一步增加時，揚(yáng)