不同叶顶间隙对泵喷推进器性能的影响

基于均质多相流的RANS方程与分块网格技术,结合剪切应力SSTk-ω湍流模型,对E779A桨进行了非空化与空化数值模拟,数值计算结果与实验值符合较好,验证了数值计算方法的合理性与有效性.在此基础上,对不同叶顶间隙的泵喷推进器进行了非空化与空化数值模拟计算,重点对叶顶间隙处流场进行了精细后处理.结果表明:未空化时,间隙尺寸越大,泵喷推进器整体效率值越低,最大间隙与最小间隙之间的效率降幅最大为8.62%,叶顶间隙尺寸直接对泵喷推进器的最优进速系数产生影响.当空化发生时,在最优进速系数下的推进器效率下降幅度最小;间隙尺寸越大,空化后的推进器整体效率越低;在较高转速下,较大间隙的空化面积在叶稍处有更为明显的激增量.     

泵喷推进器非定常空化性能数值模拟分析

摘要： 基于均质多相流的RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,采用分块网格技术生成高质量结构化网格,同时结合剪切应力SST（Shear Stress Transport）k－ω湍流模型和Z G B(Zwart Gerber Belamri）空化模型以对NACA66翼型进行了定常流空化性能数值模拟,数值计算结果与实验值吻合良好,验证了数值计算法的实用性与可靠性.在此基础上,利用URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes）方程和滑移网格技术,对装有泵喷推进器的无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）进行了非定常流空化性能数值模拟与分析.计算结果表明,数值模拟可以较为精确地预测泵喷推进器空化现象的起始与发展、形状与位置等特性;空化现象发生时,泵喷推进器效率出现明显的降低且达到20%以上;UUV表面与定转子叶片的压力分布较为合理,与空化现象吻合;转子叶顶区域压力面与吸力面之间的压差引起了顶隙梢涡与顶隙空化,造成了泵喷推进器效率进一步的损耗.     

诱导轮与叶轮叶片数匹配对泵空化性能的影响

为了研究诱导轮叶片数与叶轮叶片数匹配关系对泵空化性能的影响,基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,结合试验对某型LNG电动超低温潜液泵进行了全三维数值计算,并分析了泵的空化性能、扬程和效率随诱导轮和叶轮叶片数的变化规律.分别对诱导轮叶片数为2、3、4,叶轮叶片数为6、7、8的9种正交组合进行了数值分析研究,得到诱导轮和叶轮内空化发展的四个阶段.研究结果表明:只增加叶轮叶片数,扬程的增加幅度逐渐变大,对空化性能影响不明显;只增加诱导轮叶片数时,空化性能严重下降,最大差值达到11.0%,但对扬程和效率影响不明显;诱导轮的叶片数对泵空化影响较大,叶轮叶片数对泵空化影响较小.     

喷泵叶轮旋转方向对喷水推进性能的影响

采用雷诺数与弗劳德数全相似的方法预报了某双泵推进单体船喷水推进器外旋和内旋对推进和噪声性能的影响.以某混流式喷水推进器水动力性能为校验对象,验证了该数学模型和数值方法的可信性.比较了某航速下喷泵外旋及内旋时推进器推力、流量、轴功率、泵效率及推力效率的变化.叶轮旋向对推进器的流量及推力影响较大,对该航速下推力效率及泵效率影响较小.采用DES湍流模型进行了流场的瞬态计算,比较内旋及外旋泵在自航点内流场压力脉动的变化,外旋泵压力脉动的最大值大于内旋.根据瞬态计算结果进行了噪声的计算,结果表明,内旋喷泵的噪声小于外旋喷泵.     

浸没式喷水推进泵设计及装船后性能预报

为了设计浸没式喷水推进泵,以国外某喷水推进混流泵为对象建立了浸没式喷射模型,运用计算流体力学(CFD)瞬态模拟方法研究了2种转速时浸没式喷射对喷水推进泵水力性能的影响。研究表明,无论是低转速还是设计转速,浸没式喷射时喷水推进泵的扬程、轴功率、效率变化都小于1%,且叶片的空化无明显变化。由此,运用三元设计方法设计了一型适用于常规尾板式喷水推进的喷水推进泵,即按常规尾板式喷水推进的"船-泵-机"匹配方法选定喷水推进泵的设计参数,按基于环量的三元方法进行喷泵的水力设计,喷泵为6片叶片、9片导叶。最后,运用计算流体力学方法对实尺浸没式喷水推进器与船体的组合结构进行了数值模拟,结果表明,在设计航速时,该喷水推进泵完全浸没在水中工作的水力性能变化很小,进而得出浸没式喷水推进泵可以按照常规尾板式喷水推进泵的设计方法进行设计的结论。     

射流泵空化影响因素的数值分析

基于URANS方法,对射流泵内空化流动进行了数值模拟.采用喷嘴出口处的脉动压强及泵内平均汽相份额为指标分析了不同工作参数、结构参数和初始含气量对射流泵空化影响.结果表明,对同一射流泵,当初始含气量相同时,随着工作压力的升高或出口压力的降低,空化加剧;对同一射流泵在相同工作参数下,水体中初始含气量越高,空化越严重;对不同面积比的射流泵,当初始气含量和工作参数相同时,面积比越小,空化越严重.     

泵喷推进器低噪声优化设计

以某水下无人潜航器为研究对象,在验证所用方法可信性的基础上运用旋转机械三维反问题设计方法、计算流体力学及计算声学等方法对泵喷推进器进行以降低噪声为目的的优化设计.研究结果显示:对泵喷推进器叶轮施加侧斜、纵斜及叶稍卸载可有效削弱叶轮和导叶之间的相互作用,进而明显降低了叶轮辐射噪声,通过进一步缩短叶轮的叶顶弦长来降低叶轮与导管内壁面之间的相互作用,泵喷推进器静止部件噪声和推进器总噪声均显著降低.     

喷水推进泵通用特性曲线的计算流体动力学分析

通过联合数值模拟求得设计转速下泵扬程-流量和效率-流量曲线和泵相似定理,计算得到混流式喷水推进泵量纲为一的特性曲线。进一步由计算流体动力学(CFD)计算得到空化条件下泵扬程和效率随吸口比转速变化的修正函数曲线。叶片面涡空化由降低进口总压来实现,转速和流量输入参数由非空化条件下喷水推进系统CFD计算求得。在全航速范围内,该特性曲线还可作为比转速与该泵相近的混流式喷水推进泵通用的特性曲线模型。     

不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响

通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究,对模型泵在3个典型流量工况下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.5,1.5和3.0 mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响.结果表明:随着空化数的降低,空化首先在叶片进口边间隙区附近发生,逐渐往叶片出口边扩大,同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片,引起叶片出口靠近叶顶间隙10％区域的轴向速度逐渐降低;随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数增大,叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端往尾部移动,叶片出口轴向速度低速区主要集中在靠近间隙10％区域处,揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性.     

基于数值模拟的混流式血泵结构改进

轴流式血泵转速过高、离心式血泵易产生流动死区是造成血液损伤的重要原因,而混流式血泵能有效缓解转速过高及流动死区问题。基于此,采用计算流体力学方法对闭式叶轮混流式血泵进行了三维流场仿真,分别探究了不同叶片数和叶片厚度的混流式血泵的性能,分析了血泵流场特性及压力分布情况;基于溶血幂函数模型,通过拉格朗日粒子追踪法进行血泵的溶血性能预测,得到水力性能与溶血性能良好的血泵结构参数。结果表明,当叶片数为5、叶片厚度为0.8 mm时,扬程更接近预期设计目标,能够满足血泵供压需求;溶血指数比原模型降低14.65%,有效降低溶血程度;内部流场均匀稳定,未出现回流、流动死区问题,有效防止血栓产生;叶片进口处低压区域减少,有效缓解空化现象产生。研究结果可为闭式叶轮混流式血泵的结构改进及性能改善提供依据。     

螺旋桨空化初生的判定和空化斗的数值分析

摘要：
为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了“当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布不再改变”的空化初生判定准则,并分析了其适用范围. 同时,将空化斗由传统的三区细分为五区,以更准确地描述不同工况点的桨叶空化状态. 结果表明,在设计和非设计进速系数下,预报桨叶叶背和叶面不同叶截面的初生空化数均与实验值吻合较好;模拟梢涡空化初生再现了局部梢涡空化和导边梢涡空化同时存在的现象,证明了分别用叶背07 R截面和叶面04 R截面的片空化初生曲线来表征叶背和叶面可视梢涡空化初生的合理性. 空化初生判定准则适用于空化斗底线上方的叶背和叶面片空化区. 将空化斗底线下方区域进一步细分为叶背03 R至叶梢的片空化区以及叶背与叶面同时片空化区,以更好地在工程中应用空化斗来描述桨叶空化形态和求取空化航态的航速.     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

翼剖面二相流压力分布计算

在船用螺旋桨桨叶表面充气以形成气膜是改善其空泡特性的有效方法之一．应用薄边界层理论和源汇分布面元法实现了水气二相流在叶剖面上的流动匹配计算,确定了水动力压力分布和空泡斗,揭示了空泡性能变化的机理．通过同NACA4412非对称叶剖面和NACA0012对称叶剖面压力分布试验结果的比较表明,数值模拟计算结果是可信的,从而为半潜桨和表面切入桨设计的水动力性能计算提供了有效的数值方法．     

螺旋桨前置自由旋轮的初步研究

本文提出一种新的船舶节能和减振装置,即在螺旋桨的前方安装同轴线自由旋转的叶轮,可使伴流均匀化和产生预旋,同时旋轮还发出附加推力.文中给出了叶轮和推进器叶切面的速度多边形图和水动力表达式;分析了旋轮的叶片数、直径和转速对效率的影响.此外提出了旋轮设计的简化方法.最后,介绍了一个螺旋桨带前置旋轮的模型敞水试验,结果表明敞水效率比单独螺旋桨模型相对提高3%～4%.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动的数值模拟

为了研究高比转数离心泵内部的空蚀流动,采用完整空化模型和混合流体两相流模型对比转数为177的离心泵全流道内空蚀流动进行定常数值模拟.根据计算结果,分析液相和空泡相主要流动特征及叶片上的静压分布,揭示叶轮内空蚀两相流场的内在特征,结果表明预测得到的空蚀现象与实际离心泵受空蚀现象的影响与破坏情况基本一致.     

地面声学环境下的无人机螺旋桨气动噪声试验

为了研究某无人机螺旋桨在地面起飞工况下的气动噪声,研制了螺旋桨气动噪声试验平台,在地面声学环境下开展了螺旋桨的气动噪声试验,获取了螺旋桨的气动性能和远场噪声特性,分析了拉力、扭矩等气动参数和远场噪声指向性等随螺旋桨转速、桨叶角的变化规律。结果表明：拉力、扭矩等气动参数随着转速、桨叶角的增大而增大;远场噪声最大的区域随着螺旋桨转速和桨叶角的变化而移动;所建立的试验平台和方案可以为飞机螺旋桨的气动噪声评估和优化提供帮助。     

定常情况下旋转射流中导向叶轮受力的理论计算

讨论了径向水平钻井技术的轨迹控制问题．运用环流理论（简化升力面理论）对旋转水射流中的导向叶轮在定常情况下的受力进行了理论分析和计算．结果表明，旋转叶轮受力计算的方法是可靠、有效的，适用于任何螺旋状的叶轮受力计算，如变厚度、变螺距、不规则几何形状的叶片等，同时还可以对叶轮进行辅助设计，并为水平井轨迹控制研究提供帮助；另外，该研究也为产生高效旋转的气蚀射流研究打下一定的理论基础．