基于三元理论喷水推进轴流泵改进设计

以某高速艇喷泵为研究对象,运用CFD方法计算并分析喷泵敞水性能缺陷,针对缺陷进行三元改进设计。首先以国外某混流式喷水推进泵为例,用基于雷诺时均的数值计算方法对喷泵敞水性能进行模拟,各转速下喷泵功率计算误差在1.5%以内,验证了本文所用数值计算方法的可信性。然后对该高速艇喷泵敞水性能进行计算,利用CFX软件后处理分析出设计缺陷,对轴面线重新设计,将两级导叶改为一级导叶。并且,针对叶轮做功效率低和导叶整流效果差的问题,利用三元设计方法将叶片负载分布改为前重载型以此提高喷泵效率。最后计算改进后的喷泵效率提高了5%左右,表明了三元设计方法在喷泵改进设计上的实用性。     

不同工况下喷水推进泵内流性能研究

为研究不同工况下喷水推进泵的内流性能,以轴流式喷水推进泵为研究对象,运用Ansys18.2流体计算软件模拟了不同转速和不同航速下喷水推进泵内的内流场,分析了喷水推进泵的转速和航速变化对其能量特性和内部流动的影响.数值计算结果表明:喷水推进泵的推力与航速呈负相关,与转速呈正相关;随着船舶航速的增大,喷水推进泵进水流道内的流速逐渐增大,叶轮进口速度的高速区面积有所增大,导叶出口速度分布的周期性逐渐减弱;随着转速的增加,叶轮进口处更容易发生空化,导叶出口压力上升,速度增大;喷水推进泵进水流道的唇部区域存在小范围的高压区,且航速越高,转速越低,该区域面积越大.     

喷水推进泵空化性能数值模拟与试验验证

为研究喷水推进泵空化性能,采用计算流体力学(CFD)方法对自行设计的喷水推进泵内部空化流场进行了数值计算与分析。用六面体结构化网格对喷水推进泵的进流管道、叶轮、导叶体和出流管道进行网格划分;通过求解由SST湍流模型封闭的RANS方程计算得到喷水推进泵内部流场,计算得到的扬程、功率和效率特性曲线与试验结果吻合较好。文中还对多个流量的空化性能进行了数值预报,计算结果与试验数据在趋势上具有一致性;小流量工况的临界净正吸头与试验值误差较小,而大流量工况的临界净正吸头与试验值误差较大。研究结果表明:采用CFD方法预报喷水推进泵内部空化流场和空化性能是可行的,可作为喷水推进泵优化设计的有效途径。     

导边与随边设计对喷水推进泵性能的影响

采用相同的叶片轴面流线载荷分布和叶轮出口环量分布规律,改变导边与随边位置设计出多个喷水推进泵叶轮。基于雷诺时均的N-S方程、SST湍流模型和多重参考坐标系对叶轮内流场进行数值模拟,结果表明：导边向进口适度延伸可减小叶片进口边的载荷,利于提高空化性能,但效率有所降低;随边倾斜参数与叶轮出口的轴面速度分布和叶片表面的压力分布特性关联。     

叶轮旋向对喷水推进器噪声性能的影响

文章运用计算流体力学和直接边界元方法计算叶轮旋向对喷水推进器水下辐射噪声性能的影响。首先,采用计算流体力学方法计算和分析了某喷水推进泵的裸泵性能曲线,并与厂商数据比较以验证CFD计算方法;然后,计算某“船体+流道+喷水推进泵”的稳态流场,在此基础上计算喷泵内的非定常流场,并获得了叶轮叶片、导叶叶片、轮毂和外壳壁面上的偶极源以及固体壁面上的单元和节点信息;最后,采用直接边界元方法计算喷水推进泵的声场分布。结果表明：喷泵内最大压力脉动在叶轮进口处,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶轮进口处的压力脉动幅值外旋泵比内旋的大,但在叶轮和导叶相互作用区域则相反;在10～1000 Hz内,叶轮和导叶相互作用区域对于辐射噪声的贡献是最主要的;内旋泵的总声压比外旋泵的总声压级大2.4 dB。     

船舶高速喷水动力推进器设计与仿真分析

随着喷水推动技术和喷水推进器制作技术的发展,越来越多船舶采用喷水式推进方式.基于An-sys仿真软件,对进水流道、叶轮和导轮、喷泵喷嘴以及船舶倒车机构进行设计原理分析和仿真研究.结果表明,进水流道、叶轮和导轮、喷泵喷嘴以及船舶倒车机构对高速喷水动力推进器性能具有显著影响,优化结构尺寸能够提高喷水推进器性能.结合不同控制...     

叶轮叶顶厚度对喷水推进轴流泵空化性能的影响研究

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型对不同叶轮叶顶厚度参数的喷水推进轴流泵流场和性能进行数值仿真。结果表明:叶顶最大厚度对喷水推进泵的空化特性产生一定影响,当叶顶最大厚度增加时,在小流量工况,其水力效率上升;当流量超过444 kg/s,特别是超过额定流量时,其水力效率反而下降,且在相同的流量下,最高效率点降低。随叶顶最大厚度的增加,喷泵扬程减小,抗空化性能下降,汽蚀比转速减小。因此,本文选择的叶顶最大厚度为3 mm。选择合理叶顶最大厚度,可有效提高抗汽蚀特性,避免发生局部空化。     

喷水推进轴流泵主体设计及性能分析

针对喷水推进轴流泵流道设计、轴流泵叶轮和导叶体设计进行计算研究,运用CAD软件进行了轴流泵建模设计,利用CFD软件求解了轴流式喷水推进泵内的流场,得出了喷泵的水力性能及内部流场的流动情况,直观地检验了喷泵设计的合理性和可行性,研究结果和结论可为喷水推进装置的整体化设计提供参考.     

对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.     

用数值模拟研究转速变化对喷水推进轴流泵性能的影响

轴流泵作为喷水推进器的核心部件具有推进效率高、抗空化能力强、噪声低等优点.为实现喷水推进轴流泵的三维模型自动生成,以FORTRAN为编程语言,完成了轴流泵叶轮的参数化自动建模.运用计算流体动力学CFD软件--FLUENT基于标准κ-ε紊流模型及SIMPLE算法对020Q84喷水推进轴流泵内部流场及其运行特性进行了三维数值模拟,研究和分析叶轮转速变化对轴流泵性能的影响.     

基于人工神经网络和遗传算法的喷水推进泵叶轮和导叶匹配优化方法研究

为提升喷水推进泵的水力性能,对现有水力模型动叶轮和导叶体的叶片几何形状进行匹配优化设计。该文针对影响喷水推进泵性能的叶轮叶片载荷、导叶叶片载荷、积迭位置等参数,采用拉丁超立方抽样方法进行样本空间采样,应用RANS方程对各样本进行定常数值求解,得到泵的性能参数,基于人工神经网络,建立泵设计参数和性能参数之间的映射响应模型,并以效率最高为目标,采用遗传算法进行优化,获得性能优异的喷水推进泵水力模型。该过程迭代循环自动完成,可缩短水力模型的设计开发周期。结果表明：优化后,在保持泵扬程不变的情况下,内流场显著改善,计算设计点效率达到91.8%,经过试验验证后效率达到88.9%,高效区流量范围拓宽15%。     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因。介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出。基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程。通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律。结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%。     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因.介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出.基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程.通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律.结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%.     

尺度效应对喷水推进系统进出口流场及推力影响分析

本文以喷水推进船为研究对象,采用数值计算方法计算不同缩尺比喷水推进系统的水动力性能。通过比较不同缩尺比喷水推进进出口的速度场和出口不均匀度,认为在缩尺比较大时,缩尺比对喷水推进进出口速度场影响较小。将模型尺度推力换算成实型推力时,引入无因次系数C,该系数会随着缩尺比的增加而不断增加。通过计算不同缩尺比喷水推进泵的C值,可以拟合出一条曲线,通过拟合出的曲线可以求出实泵的C值,最终可以将模型喷泵产生的推力通过相似换算得到实泵产生的推力。这对喷水推进装置的设计和喷水推进船的快速性预报具有重要的指导意义。     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性试验研究

为探究喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性,试验研究了不同工况和各有效汽蚀余量下叶轮、导叶壳体内壁压力脉动和泵体振动变化规律。比较了两种空化试验方法,并对典型监测点空化前后的时域、频域信号进行了分析。结果表明,空化诱导的压力脉动与振动有着密切联系,叶轮出口处压力脉动和静动部件间的振动信号可用于空化引起的混流泵不稳定运行的监测。随着空化逐步发展,振动信号强度突变滞后于压力脉动,但都提前于外特性的大幅下降,而且未空化与空化发生时信号的时域、频域特征有着明显的差别,这项研究对喷水推进泵空化状态的实时动态监测具有实际工程应用意义。     

实尺度浸没式喷水推进泵设计参数选择与性能分析

为设计某浸没式喷水推进泵,以某小型轴流式喷水推进泵为对象建立浸没式喷射模型,采用CFD方法模拟分析浸没喷射对喷泵水力性能的影响。研究表明,浸没式喷射对喷泵水力性能的影响变化不大。根据喷水推进和船体边界层基本理论,考虑喷泵工作环境不同时的水力特性变化,基于Matlab/simulink仿真平台建立浸没式喷水推进泵水力设计参数选型程序,实现快速高效地得到喷泵基本设计参数为设计者提供设计依据。根据选型结果运用三元理论设计出所需喷泵,运用CFD方法获取浸没式喷泵的敞水水力性能,并安装到实尺度船上预报推进性能,结果表明浸没式推进系统具有较高的推进效率、满足快速性要求,验证了设计参数选型程序的适用性。     

混合推进船舶"船-泵+桨-机"匹配方法研究

为提高混合推进船舶推进系统的性能,分析了"船-泵+桨-机"的匹配方法.介绍了"船-桨-机"与"船-泵-机"的匹配方法、思路与步骤,着重研究"船-泵+桨-机"匹配中的泵、桨负载分配对推进性能的影响.以调距桨特性曲线与喷水推进推力曲线进行混合推进舰船的快速性计算,螺旋桨重载降低推进效率,喷水推进重载容易产生空化.为避免喷水推进泵产生空化,调距桨的螺距、转速可调范围变窄.     

后导叶对喷水推进轴流泵性能的影响

通过三维紊流数值计算和模型试验研究后导叶对轴流泵整体性能的影响.计算和泵试验表明,基于RNG k-ε紊流模型的定常流动分析能有效预测高效区内的泵特性.叶轮和导叶之间的轴向间隙为0.1 D时,后导叶对叶轮性能几乎没有影响,后导叶主要以对叶轮出口水流的旋转动能的回收和水力损失的形式对泵的特性产生影响.通过后导叶设计工况的选择,可适应不同的应用要求,实现叶轮和后导叶优化配置的目的.     

喷水推进器水动力性能分析与优化设计研究

针对国内某喷水推进游艇进水流道和导叶叶片水动力性能不理想的问题,应用优化设计和计算流体方法对其进行改进。为满足数值计算所需要的船底边界层对进水流道和喷泵的影响,界定喷水推进器流场控制体,联合采用四面体非结构化网格和六面体结构化网格对所有区域进行离散,选择剪切应力输运湍流模型,采用稳态多参考系方法计算求解系统流场。将喷泵、进水流道、格栅和船底组合一起并通过壁面积分法计算在70~90 km/h航速时产生的有效推力。结果表明,导叶叶片和进水流道通过优化设计后,喷水推进器的推力效率提高,产生的推力明显大于原设计。