对旋轴流式喷水推进泵空化及压力脉动数值计算研究

摘要

随着对喷水推进泵小型化、集成化等方面的要求越来越高，对旋轴流式喷水推进泵越来越多地得到了人们的关注。对旋轴流式喷水推进泵凭借结构紧凑、空化性能好及运行高效区宽等优点，成为高性能航行体的理想推进形式。但其在低速、倒车、转弯等航行工况下，喷水推进泵会产生空化，空化产生的结果是推进器扭矩和推力下降，影响推进效率，加剧振动，诱发噪声，影响航行体运行的稳定性。
　　本文依托国家自然科学基金重点项目“水力机械的空化特性及对策”(编号:51239005)，以自丰研发的对旋轴流式喷水推进泵为研究对象，通过数值模拟的方法对对旋轴流式喷水推进泵进行了三维数值计算，针对其内部空化流动以及非定常流动进行了具体分析，较好地预测了空化流场以及压力脉动特点，主要内容的和创新点如下:
　　1.利用Croe和ICEM-CFD软件进行了对旋轴流式喷水推进泵的三维建模和结构化网格划分，并进行了网格无关性验证，确定了合理的网格数。对边界条件进行了设置，选择了较优的空化模型和湍流模型，并进行了一定的修正。
　　2.对设计工况下对旋轴流式喷水推进泵整泵以及首级叶轮单独进行了空化数值模拟，绘制了相应的空化性能曲线，并对对旋轴流式喷水推进泵空化流场进行了分析。结果表明，对旋轴流式喷水推进泵空化性能更好，空化最初发生在首级叶轮叶片吸力面面进口靠近轮缘的局部低压区，并随着NPSH的减小，该空泡区域从轮缘向轮毂方向延伸。首级叶轮和次级叶轮空化发展不同步，由于次级叶轮处于首级叶轮的预压下，首级叶轮发生空化时，次级叶轮并没有发生空化。
　　3.探讨了次级叶轮的转速对对旋轴流式喷水推进泵内空化流场的影响。主要分为三种情况:首级叶轮转速大于次级叶轮转速;首级叶轮转速与次级叶轮转速相等;首级叶轮转速小于次级叶轮转速。对其内部空化流动状态进行了对比分析发现:当次级叶轮转速小于首级叶轮时，对旋轴流式喷水推进泵空化性能最好。
　　4.对小流量工况下对旋轴流式喷水推进泵空化流场进行了研究。小流量工况下，其次级叶轮内流动相对于其它过流部件较为不稳定，出现了一定数量的漩涡微团，随着空化程度的加深，漩涡不断地向下游以及轮缘方向扩散。空化首先发生在次级叶轮叶片吸力面靠近轮缘的位置而不是首级叶轮中，这是由于次级叶轮叶片吸力面靠近轮缘位置相对速度较大导致的。
　　5.对对旋轴流式喷水推进泵进行了三维非定常数值模拟，揭示了无空化条件和空化条件下其内部压力脉动的特点。结果表明，对旋轴流式喷水推进泵内压力脉动主要受叶频的影响，首级叶轮和次级叶轮轮缘间隙处的压力脉动与叶片数和叶轮数均有关。对比分析小流量、设计流量、大流量三种工况下压力脉动的特点发现:设计流量工况下压力脉动幅值最小，小流量与大流量工况脉动情况相差不大;空化的产生改变了对旋轴流式喷水推进泵内的压力分布，次级叶轮轮缘间隙以及出口处位置受空化影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 喷水推进泵空化及非定常流场研究现状

1．2．2 对旋轴流泵研究现状

1．2．3 研究现状总结分析

1．3 本文研究内容

第二章 空化理论基础及数值计算方法

2．1 空化流的基本控制方程

2．2 空化流动数值计算方法

2．2．1 湍流模型

2．2．2 空化模型

2．3 本章小结

第三章 对旋轴流喷水推进泵数值模拟分析

3．1 计算模型及网格划分

3．1．1 计算模型

3．1．2 网格划分及无关性检验

3．1．3 边界条件设置

3．2 对旋轴流式喷水推进泵外特性分析

3．2．1 外特性曲线分析

3．2．2 对旋轴流式喷水推进泵速度场分析

3．2．3 对旋轴流式喷水推进泵压力场分析

3．3 本章小结

第四章 对旋轴流式喷水推进泵空化流场分析

4．1 设计工况下空化流场分析

4．1．1 空化性能曲线分析

4．1．2 叶轮叶片压力分布

4．1．3 叶片吸力面空泡体积分布

4．1．4 流道内空泡等值面分布

4．2 次级叶轮转速对对旋轴流式喷水推进泵空化性能的影响

4．2．1 次级叶轮转速对空化性能曲线的影响

4．2．2 次级叶轮转速对空泡分布的影响

4．3 小流量工况下空化流场分析

4．3．1 小流量工况下叶轮叶片空泡体积分布

4．3．2 小流量工况下流道内空泡体积分布

4．3．3 小流量工况下速度场分布

4．4 本章小结

第五章 对旋轴流式喷水推进泵压力脉动分析

5．1 设计工况下压力脉动结果分析

5．1．1 压力脉动监测点设置

5．1．2 非定常设置

5．1．3 压力脉动计算结果分析

5．2 不同工况下压力脉动结果分析

5．3 不同空化条件下压力脉动结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

在读学位期间发表的论文

在读学位期间参与的项目