喷水推进泵内流场的CFD计算外文翻译资料

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喷水推进Ⅲ

2001年2月20日和21日，哥德堡，瑞典

喷水推进泵内流场的CFD计算

Peixin Hu and M zangeneh

机械工程系

伦敦大学学院

摘要

在这篇文章中，一些模型被用来计算喷水推进泵的叶轮和喷嘴的流域。这些模型包括单个叶片到叶道模型以及叶轮模型。计算出的结果用来计算叶轮扭矩并与经验值相比较。使用不同的商业CFD软件，如Fluent、UNS、Rampant、TASCflow来进行实验，不均匀进口速度对扭矩造成的影响也做了调查。也得到了喷嘴出口处精确的流动，这个结果与Hu、Zangeneh（1998,1999）两人发表过的结果相结合可以用来精确预测喷水推进的推力。

作者经历

Peixin Hu博士是伦敦大学学院机械工程系研究员。他主要的研究方向：

bull; 研究船体与喷水推进间的相互作用，基于CFD预测喷水推进器的推力以及喷水推进器进口管三维形状最优；

bull; 通过使用有限元法的完全不均匀模型研究浮体与立体水波的相互作用。

Mehrdad Zangeneh博士是伦敦大学学院涡轮机空气动力学的讲师。过去15年里他在设计、分析用于涡轮机设计的CFD编码的部门工作。他在喷水推进的工作主要与分析通过喷管和喷泵系统的流体相关，同时应用CFD预测扭矩和推力。他是23届ITTC(国际拖曳水池）确认喷水推进实验程序委员会会员和秘书。

1. 引言

海洋喷水推进系统已然成为最好的高速船推进方式。由于缺乏对喷水推行中流体现象的正确理解，船体设计者们依赖于经验方法。但是，对于影响喷水推进设计因素和他们与船体相互影响作用有一个正确的科学认识是十分重要的。需要做更多的研究来理解不同操作状态下位于

进口管和叶轮的详细流动。通过这些研究，我们可以预报通过进口管和叶轮的能量损失以及叶轮进水口附近水流的不均匀程度。

在喷水推进装置设计中一个更重要的问题是预报喷水推进产生的推力。精确计算推力需要在进口管入口和喷嘴出口的详细流动。在1998，1999年，作者们已经做了关于喷水入口管里以及周围湍流的详细研究。Allison等人（1998）已经检验了喷水泵设计方法包括喷水泵设计中的升力面理论的应用。Taylor和Kerwin（1998）介绍了一种升力面耦合和利用RANS设计喷水泵的程序。Taylor和Kimball（1999）已经演示过一种通过经验确认这些设计的方法。由Zangenth（1991,1994a、b）发展的三维逆向设计方法也可以用于喷水泵设计（可以参阅Goto 等人1999年的文献和Zangeneh等人1999年的文献）。但是，他仍然缺乏足够的关于通过喷水泵流体流动的信息，尤其是靠近喷嘴出口的流动。在这篇文章中，调查主要集中与通过喷水泵叶轮和喷嘴的流体流动。

如图1所示的一个由定子A、叶轮、定子B和喷嘴组成的喷水叶轮和喷嘴模型。流体从入口流入定子A，进入转子并从转子流出道定子B。最后流体经过喷嘴并以一个较高的速度喷射而出。在这个实验中，使用了如表1所示的A,B,C，D模型。

如图2所示，A模型只考虑通过叶轮的单个桨叶到桨叶通道，并且转子上下游没有定子。如图3，B模型包括整个叶轮而没有考虑A,B模型中的转子。图4中，模型C有整个叶轮和定子A，

B和喷嘴。在A,B,C三个模型中，为了方便生成

网格，在计算结果中，假设了一个人工的轴穿过喷嘴。在模型D中，这个人工的轴被移除，如图1模型D的表格所示。这种算法用来计算Hu和Zangeneh（1998,1999）二人从泵入口管道计算得到的明确的线性流体上游速度和圆周平均速度。这个静压力在喷嘴出口中是明确的。

表1使用的模型

图1 划分174960个单元网格的带有定子A，B，没有人工轴的喷水叶轮和喷嘴

最初我们通过使用只包含一个桨叶-桨叶通 道，同时有线性入口速度尤其是在入口处如此的模型A来考查了叶轮和喷嘴里的紊流。在计算中使用了A网格（14994个单元）和B网格（69120个单元），以此来检验网格独立性。计算中还使用了不同的商业应用，如Fluen、UNS、Rampant和TASCflow，并比较了从这些不同应用得出的结果。在Fluent和其求解器中使用了有限体积法和结构网格化法。UNS使用了基于压力分离的解决方法，Rampant使用全耦合显式有限体积法。Rampant求解器使用多重收敛加速时间推进方案。UNS和Rampant都使用非结构化网格技术。

Fluent、UNS和Rampant都是Fluent公司的产品，参考Fluent（1996，1998）。TASCflow使用结构化网格，其求解器使用时间推进方案。TASCflow是AEA技术引擎软件有限公司，参阅CFX-TASCflow（2000）。这篇文章中考察的例子在表2中列出。计算中使用了包含了整个叶轮的模型B，以此来考察与单个桨叶通道和整个叶轮以及喷嘴模型的不同。叶轮尾流对定子B的影响很强烈，并会对定子B和喷嘴以及出口的速度造成巨大损失。因此，模型C被用来达成这个目的。最后通过使用模型D来考察喷嘴中的人工轴对流线谱的影响。

图4 模型C的网格：带有人工轴和定子A,B的整个喷水叶轮和喷嘴模型

单元数81168

表2 考察叶轮和喷嘴模型的案例

2 单桨叶通道-模型A

这部分里，我们目前的结果通过使用当进口的线性速度明确时的单桨叶通道模型得到的。在图5，x/D对应的的表面平均质量压力的系数Cps显示出沿入口直径D的旋转轴处x/D是一个无量纲坐标。系数Cps定义为：

其中Delta;P是与点上和x/D=0处压力不同的表面压力。是流体平均速度，下标e表示喷嘴出口处的数值。例RA的结果是通过使用网格A的到的，而案例Rb是采用网格B得出的。这两例都是利用FLUENT分析的。两个案例RA和RB都是流量18.7公斤/秒，转速2004转。结果发现，网格的大小对在叶轮上游上的压力的的影响较小，但对叶轮的下游的影响是相当大的。使用一个比网格B更精细的网格来再次实验，同样的结果更接近图5所示的使用的网格B。从计算的结果来看，可以发现，存在一个在人工轴附近的反向流。这种反向流动是由人工轴造成的，将导致喷嘴中的大量能量损失和压力下降。但是，接下啦要讨论的模型A，B，只被用来研究推进器中的流体流动，也因此人工轴在其中没有作用。

如图 6(a), 6(b), 6(c)，6(d)展示的，定位在x/D=0.0，0.1，0.2，0.4 这几处切片流体轴向速度的轮廓，是用Fluent和网格B（案例RB）得到的。在x/D= 0，0.1，0.2和0.4切片的确切位置如图7所示。也用UNS,Rampant和TASCflow来考察推进器的流体流动，网格B也在计算中被使用，得到的结果都非常相似。例如，通过TASCflow得到的图8（a）中在x / D = 0.1（靠近前缘）切片的流体的轴向速度的轮廓，以及使用Rampant的图8（b）的结果与使用Fluent的图6（b）的结果十分相似。但是在x/D=0.4切片处的轴向速度，通过使用TASCflow图8(c)，Rampan图8(d)，Fluent图6(d)得到的结果有轻微不同。原因可能是这些软件使用了不同的体系，比如SIMPLE体系在FLUENT中被使用，而TASCflow使用时间匹配体系。

3 整个推进器和喷嘴模型

与在第二节中模型A所处的同样的边界条件下，模型B的湍流已经被计算，这个模型模拟整个推进器和喷嘴但是定子A,B被移除。在x/D = 0，0.1，0.2和0.4切片上轴向速度的轮廓被分别呈现在图9（a）、9（b）、9（c）及9（d）。在计算中使用的是Fluent，单元数为69120。通过分别将整个推进器都被模拟的图9（a），9（b），9（c）和9（d），和模拟单个桨叶-桨叶通道的图6（a），6（b），6（c）和6（d）进行比较。结果发现，在x/D = 0和x/D = 0.1的切片结果是非常相似的。在x/D = 0.2使用两个模型得到的的流体的轴向速度的轮廓差异不大，在图9（c）和6（c）上可以看出。在x/D = 0.4流体的轴向速度的轮廓有更多的差异，在图9（d）和6（d）上可以看出。模型A和B预测的结果基本相似。导致在后缘附近的差异的原因似乎在单浆叶片模型中使用的周期性条件，并在未来需要进一步调查。包括定子A、B的模型C，在UNS中可以使用的在多重转子框架下的多帧模型在计算中也是用到了。定子A和转子以及转子和定子B之间的混合面被用于在不同的阶段之间传输数据信息。流动变量周向平均，当他们穿过混合面传输时。这种多帧旋转模型预测切向速度的性能

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