高速艇喷水推进器流场特性数值模拟

摘要

随着高速船技术的快速发展,喷水推进器以其独特的优点越来越受到人们的重视。与螺旋桨推进不同,喷水推进是一种特殊的推进方式,它利用推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进,并通过操舵倒航机构分配和改变喷流方向来实现载体的操纵与控制。喷水推进装置的发展趋势是进一步增大功率,提高效率和减轻重量,同时随着整个系统的进一步优化,喷水推进将会更广泛地应用于各类船舶。
　　本文利用计算流体力学软件FLUENT对某高速艇喷水推进器流场进行数值模拟,分别针对推进泵、喷口和进水流道进行计算与分析。
　　喷水推进泵的计算模型为一高比转速混流泵,通过计算30.05~0.4m/s之间的11个流量值和3400～4500r/min之间的8个转速值,研究对应叶片的静压分布规律,分析空化的可能性。根据推进泵进出口速度和压强、转矩等参数计算泵在各工况下的功率、推力和效率值,比较分析特征曲线后,选择叶轮性能良好,推力效率值较高的工况点,得到泵水力性能最佳的方案。选用不同的湍流模型在喷水推进器性能预报中有不同的适用性,对于近壁区低雷诺数和旋转叶轮的喷水推进器,在其性能预测中湍流模型表现的优劣次序依次为RNGk-e模型、Realizablek-e模型和标准k-e模型。
　　对喷水推进器的平进口式进水流道的三维流动进行了数值模拟,研究其在不同进速比下的流场性能。从流道出流品质、管内压力分布、进水口驻点位置的角度出发,保证流道各处最小压力均大于发生空化的临界压力值,从而避免产生空化,最终得到使进水口流场稳定,流道出流均匀,发生空化的可能性最小的进速比值。在其他参数不变的前提下,改变流道倾角,给出不同倾角下流道加权平均角和流道效率的变化规律。
　　针对喷水推进器的喷口段参数,研究了110mm~130mm之间的9个不同喷口直径对推进泵效率的影响,给出使效率最高的喷口直径值。为了保证流体稳定流动,避免产生涡流,提出了增设导流帽的设计方案,对比分析增设导流帽前后的速度压强分布和推进器性能。同时改用双扭曲线作为导叶到喷口的过渡曲线,改变喷口形状后的流场性能良好,计算得到的推力值显著提高。
　　本文运用CFD方法对喷水推进器进行数值模拟,在已知泵几何参数的前提下,预报其水动力性能,从而可为研究喷水推进器的水动力性能以及研制新型高效的喷水推进器提供了设计依据。

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第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 喷水推进的研究现状与发展方向

1.3 喷水推进器简介

1.4 混流泵

1.5 本文研究内容及方法

第2章 CFD基本理论与数值方法

2.1 计算流体力学概述

2.2 CFD基本模型

2.3 CFD模型的离散

2.4 离散方程的求解

2.5 本章小结

第3章 喷水推进泵推进性能数值计算与分析

3.1 引言

3.2 泵的性能参数

3.3 计算模型

3.4 不同流量的数值计算结果与分析

3.5 不同转速的数值计算结果与分析

3.6 不同湍流模型对数值模拟的影响

3.7 本章小结

第4章 喷水推进器进水流道流场的数值模拟

4.1 概述

4.2 进水流道的控制参数

4.3 计算模型

4.4 数值计算结果与分析

4.5 进水流道倾角与流动性能关系

4.6本章小结

第5章 喷水推进器喷口的设计与优化

5.1 引言

5.2 计算模型

5.3 喷口直径对推进性能的影响

5.4 导叶后增设导流帽对流场分布的影响

5.5 喷口形状的优化

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢