一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法

摘要

本发明涉及一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，属于船舶工业和流体机械技术领域，特别是属于喷水推进领域。本发明基于流体力学基本方程，通过建立喷水推进器几何模型，同时建立相应的流场区域，对喷水推进器进水流道、喷口和车底水域模型进行网格划分，并检查网格无关性，然后进行预测参数设置，最后输出不同水线高度或者不同启动时间条件下喷水推进器流场信息，能够得出喷水推进器正常启动的最低水线高度。本发明能揭示喷水推进器启动过程中气、汽和液三相的演变规律，预测喷水推进器正常启动的最低水线高度，为喷水推进器启动提供参考，节省实验的成本和时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，属于船舶工业和流体机械技 术领域，特别是属于喷水推进领域。

背景技术

喷水推进器是一种由进水流道、推进泵、喷口等过流部件组成的推进装置，利用喷出高 速水流的反作用力产生推力，具有推进效率高、抗空泡性能强、振动噪声低和传动机构简单 等优点，被广泛应用于船舶、两栖车辆和水下机器人。目前，基于设计工况对喷水推进器设 计方法、推进性能和优化设计等方面的研究已较为成熟，而关于喷水推进器启动过程中的水 动力性能以及自吸性能的案例较少。

两栖车辆是一种采用喷水推进装置且兼顾陆上和水上航行的特殊车辆，在两栖车辆由陆 地驶向水面的过程中，涉及到喷水推进器的启动过程，但是由于两栖车辆在浅滩地带的吃水 较小，无法保证启动过程中喷水推进器内部充满水流，需要通过推进泵的旋转将水流由车底 抽吸至充满流道并排出气体，同时喷水推进器内部也可能发生空化现象，也就意味着，在启 动过程中流道内是气-汽-液三相共存的状态，这一过程存在明显的瞬态特性，并伴随着水力 激振、冲击负载、空化破坏和振动噪声等负面影响，影响喷水推进器的正常运行。因此喷水 推进器启动自吸过程的瞬态特性是两栖车辆推进领域急需解决的关键问题。

上世纪末以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，计算流体力学的发展进一步 推动了喷水推进器启动自吸过程的研究。同时，高速两栖车辆的快速发展要求喷水推进器需 要以尽可能短的时间完成启动以及获得更大的推力，这使得喷水推进器具有更高的效率和功 率密度，并且在启动过程中尽可能快的完全排出气体和抑制空泡的产生。由于两栖车辆喷水 推进器启动自吸实验的成本高、危险系数大、操作难度大，使得实验的可行性低，所以数值 计算成为研究喷水推进器启动自吸问题的主要方法。

目前，常规的喷水推进器数值计算中，没有考虑气体相，缺少气-液两相之间的相互作用， 使得无法获得自吸过程中气相的变化趋势，因此，对于喷水推进器启动自吸问题，有必要发 展和完善考虑气相的自吸性能预测方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有喷水推进器数值计算没有考虑气相的不足，不能满足喷水 推进器启动自吸问题的研究，本发明公开的一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法， 能揭示喷水推进器启动过程中气、汽和液三相的演变规律，得到喷水推进器启动过程流量、 扬程、功率、效率和推力等参数的动态变化，并预测喷水推进器正常启动的最低水线高度。 本发明能够应用于船舶工业和流体机械技术领域，特别是属于喷水推进领域。

一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，包括以下步骤：

1、一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：喷水推进器模型包括进水流道、叶轮、导叶和喷口，还包括车底水域；根据流 量、扬程参数生成喷水推进泵的叶轮和导叶模型，用三维建模软件生成喷水推进器进水流道、 喷口和车底水域模型，最终实现喷水推进器模型的建立；

步骤二：将步骤一的喷水推进器进水流道、喷口和车底水域模型进行结构化网格划分， 划分网格是为了离散流动的区域，将步骤一得到的喷水推进泵的叶轮和导叶模型导入涡轮叶 栅通道网格划分软件完成对叶轮和导叶区域的结构化网格划分，最终实现喷水推进器模型网 格划分；

步骤三：在步骤一和二的喷水推进器模型和网格中，建立计算流体力学模型如下：

式中，ρ为密度；t为时间；i、j＝1、2、3；u

步骤四：剪切应力传输SSTk-ω湍流模型(k为湍动能，ω为湍流频率)集合k-ε模型(ε 为湍动能耗散)和k-ω模型的优点，在近壁区域采用k-ω模型，湍流耗散率小，收敛性好； 在湍流充分发展区域采用k-ε模型，计算效率高，对复杂流场的适应性更好；湍动能k方程 和湍流频率ω方程分别为：

式中，P

喷水推进器是旋转叶轮机械，由于叶轮的高速旋转，导致推进器内部具有强烈的旋转曲 率效应，为了更好的预测喷水推进器内部的流动现象，在SSTk-ω湍流模型的基础上进行旋 转曲率修正，得到SST-CC湍流模型，表达式如下：

P′

S

Ω

D

式中，P′

步骤五：采用Zwart空化模型，对喷水推进器内部空化进行预测，蒸发项

式中，p

步骤六：自吸过程中存在气、液两相，采用自由液面模型方法对气-液交界面进行捕捉， 对气-液交界面进行追踪得到自由液面变形；

步骤七：在计算流体力学软件中，设置物质属性为液态水、水蒸气和空气三相为计算介 质；相间相互作用空气与液态水之间设置为自由表面模型，液态水和水蒸气之间设置为空化 模型，空气与水蒸气之间无相互作用；车底水域来流面边界条件设置为速度入口，车底水域 出流面设置为压力出口，车底水域的侧面和底面设置为开放入口，车底水域顶面设置为无滑 移壁面，喷口出口设置为压力出口，泵轴、叶轮表面和导叶表面设置为无滑移壁面，进水流 道和叶轮域、叶轮域与导叶域之间设置为动-静交界面；

通过表达式建立叶轮区域转速随着时间的变化规律，转速线性增加至额定转速，具体表 达式如下：

式中，t为时间，T

水线高度以泵轴中心线为零基准线，通过表达式定义水线高度，初始时刻水线以上为空 气，以下为液态水；实时监测喷水推进器的流量、扬程、扭矩、功率、效率、轴向力和推力 参数随时间的变化趋势；

步骤八：通过步骤一到步骤七的设置，在步骤三计算流体力学模型基础上加上步骤四 SST-CC湍流模型、步骤五Zwart空化模型及步骤六自由液面模型，进行气、汽和液三相非定 常流场数值计算，读取流场的压力、速度、涡量、气-汽-液体积分数云图，提取流量、扬程、 功率、效率、轴向力、推力参数随时间的变化趋势；

步骤九：修改水线高度或者启动时间，重复步骤七至步骤八，得出不同水线高度或者不 同启动时间条件下喷水推进器流场信息以及各个参数的变化趋势，并确定喷水推进器正常启 动的最低水线高度；

步骤十：基于步骤一到步骤九能够得出不同水线高度或者不同启动时间条件下喷水推进 器流场信息以及各个参数的变化趋势，还能够得出喷水推进器正常启动的最低水线高度，完 成最终的自吸性能预测；自吸性能预测结果能够实时监测主要参数的变化，能够获得流量、 扬程、功率、效率和推力参数的动态变化，获得喷水推进器正常启动的最低水线高度，为喷 水推进器启动提供参考，节省实验的成本和时间；本发明能够应用于船舶工业和流体机械技 术领域，特别是属于喷水推进领域；

有益效果

1.本发明是一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，考虑了气、汽和液三相，可 以获得喷水推进器启动过程中气、汽和液三相的演变规律。

2.本发明是一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，实时监测主要参数的变化， 可以获得流量、扬程、功率、效率和推力等参数的动态变化。

3.本发明是一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法，通过改变水线高度，可以获 得喷水推进器正常启动的最低水线高度，为喷水推进器启动提供参考，节省实验的成本和时 间。

附图说明

图1是本发明一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的流程图；

图2是本发明一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的三维模型图；

图3是本发明一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的计算流域图；

图4是本发明一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的网格划分图；其中图a为 进水流道网格，图b为推进泵网格；

图5是本发明一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的水线高度图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详 细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的一种喷水推进器启动过程的自吸性能预测方法的主要流程， 具体实现步骤如下：

涡轮叶片设计软件采用ANSYS Bladegen，三维建模软件采用Solidworks，CAE前处理软 件采用ANSYS ICEM软件，涡轮叶栅通道网格划分软件采用ANSYS Turbogrid软件，

步骤一：喷水推进器模型包括进水流道、叶轮、导叶和喷口，还包括车底水域，如图2 所示，采用ANSYS Bladegen软件对喷水推进泵的叶轮和导叶进行建模，推进泵的主要水力 参数如表1所示。用Solidworks对喷水推进器进水流道、喷口和车底水域进行建模，进水流 道为平进口式，入水口为椭圆形，如图2所示，最终实现喷水推进器模型的建立。喷水推进 器的性能与车体结构、来流条件以及运行工况密切相关，因此对喷水推进器进行数值模拟时 应充分考虑进水口周围的流场区域，本实施例选取车底流域的长宽高分别为30D、10D和8D， 其中D为叶轮直径，如图3所示。

表1喷水推进泵主要水力参数

步骤二：为了提高网格质量和降低网格数量，将步骤一的喷水推进器进水流道、喷口和 车底水域模型导入ANSYS ICEM软件进行结构化网格划分，如图4(a)所示，通过调节网格尺 寸和节点分布，在近壁面区域采用边界层网格，并对进水流道附近区域进行网格加密；将步 骤一得到的喷水推进泵的叶轮和导叶模型导入ANSYS Turbogrid软件对叶轮和导叶区域进行 结构化网格划分，如图4(b)所示，通过建立拓扑结构、设置叶顶间隙、调整叶片安放角、编 辑网格尺寸、布置边界层等操作，经过网格无关性验证，最终确定叶轮区域网格数量为178 万，导叶区域网格数量为202万，最终实现喷水推进器模型网格划分。

步骤三：为了对步骤一和步骤二所建立的计算域进行计算，需要先建立计算流体力学模 型，基本控制方程包括连续性方程和动量方程，具体表达式如下：

式中，ρ为密度；t为时间；i、j＝1、2、3；u

步骤四：剪切应力传输SSTk-ω湍流模型(k为湍动能，ω为湍流频率)集合k-ε模型(ε 为湍动能耗散)和k-ω模型的优点，在近壁区域采用k-ω模型，湍流耗散率小，收敛性好； 在湍流充分发展区域采用k-ε模型，计算效率高，对复杂流场的适应性更好。湍动能k方程 和湍流频率ω方程分别为：

式中，P

喷水推进器是旋转叶轮机械，由于叶轮的高速旋转，导致推进器内部具有强烈的旋转曲 率效应，为了更好的预测喷水推进器内部的流动现象，在SSTk-ω湍流模型的基础上进行旋 转曲率修正，得到SST-CC湍流模型，其表达式如下：

P′

S

Ω

D

式中，P′

步骤五：为了更好的预测喷水推进器内部空化的发展过程，采用Zwart空化模型，蒸发 项

式中，p

步骤六：自吸过程中存在气、液两相，采用自由液面模型方法对气-液交界面进行捕捉， 对气-液交界面进行追踪得到自由液面变形；

步骤七：在计算流体力学软件中，设置物质属性为液态水、水蒸气和空气三相为计算介 质；相间相互作用空气与液态水之间设置为自由表面模型，water为主相，air为次相，表面 张力系数设置为0.072N/m；液态水和水蒸气之间设置为空化模型，饱和蒸气压为3169Pa；空 气与水蒸气之间无相互作用；

车底水域来流面边界条件设置为速度入口，由于重点关注喷水推进器内部的流动，所以 将启动过程中的航速假设为0m/s不变；车底水域出流面设置为压力出口，压力值随着水深 而线性增加；车底水域的侧面和底面设置为开放入口，车底水域顶面设置为无滑移壁面，喷 口出口设置为压力出口，压力值为大气压；泵轴、叶轮表面和导叶表明设置为无滑移壁面； 进水流道和叶轮域、叶轮域与导叶域之间设置为动-静交界面，如图3所示。

通过表达式建立叶轮区域转速随着时间的变化规律，转速线性增加至额定转速，加速时 间为3s，具体表达式如下：

水线高度以泵轴中心线为零基准线，通过表达式定义水线高度h＝0.25D，D为叶轮直径， 初始时刻水线以上为空气相，以下为液态水相，无水蒸气相，如图5所示。实时监测喷水推 进器的流量、扬程、扭矩、功率、效率、轴向力和推力等参数随时间的变化趋势。

参考压力为1atm，浮力模型的重力加速度方向为y轴负方向，初始时刻流场速度为0m/s， 压力为1atm；瞬态求解，计算总时间为5s，时间步长为0.0005s，迭代次数为100次，收敛 精度为0.0001；动量方程采用High Resolution格式，湍流方程采用First Order格式。

步骤八：求解计算

通过步骤一到步骤七的设置，通过计算流体力学软件进行气-汽-液三相非定常流场数值 计算。在后处理软件中，进行结果后处理，读取流场的压力、速度、涡量、气-汽-液体积分 数等云图，提取流量、扬程、功率、效率、轴向力和推力等参数随时间的变化趋势。

步骤九：修改水线高度，重复步骤七至步骤八，计算水线高度为0.35D、0.20D和0.10D 三种工况，获得不同水线高度条件下喷水推进器流场信息以及各个参数的变化趋势，并确定 喷水推进器正常启动的最低水线高度。

步骤十：基于步骤一到步骤九能够得出不同水线高度或者不同启动时间条件下喷水推进 器流场信息以及各个参数的变化趋势，还能够得出喷水推进器正常启动的最低水线高度，完 成最终的自吸性能预测。自吸性能预测结果能够实时监测主要参数的变化，可以获得流量、 扬程、功率、效率和推力等参数的动态变化，获得喷水推进器正常启动的最低水线高度，为 喷水推进器启动提供参考，节省实验的成本和时间。本发明能够应用于船舶工业和流体机械 技术领域，特别是属于喷水推进领域。

预测结果表明，以泵轴中心线为零基准线，当水线高度大于等于0.15倍叶轮直径时，喷 水推进器可以在较短时间内将内部气体完全排出，水线高度越小，扬程和流量滞后越严重。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所 应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。