基于流固耦合的喷水推进泵小流量区的动态特性研究分析

发布时间：2017-10-20 21:04

  本文关键词：基于流固耦合的喷水推进泵小流量区的动态特性研究分析

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【摘要】：在最近二十多年来,喷水推进技术才开始得到重点研究,并得到了巨大的发展,尤其是在高速高性能的船舶上,陆地海上的两栖用的车辆以及在一些浅水作业上也都得到了广泛的应用[1]。相比较于传统的螺旋桨推进系统,以喷水推进泵(混流泵)为核心的喷水推进系统具有在高航速的时候效率更高,抗空化空蚀性能更好,机动性和操作更便捷,并且吃水浅,相对而言阻力更小,能够适应不停变化的运行工况,水下声辐射较小等众多优点,在很多的发达国家都已经普遍地投入到实际应用中。本世纪以来,随着我国对喷水推进技术需求的逐渐增长,相关的关键核心技术也得到了不小的提升和发展,喷水推进技术得到了广泛的推广和应用[1],但是不可避免的会出现一般混流泵都会存在的问题,在高速运行的系统上,混流泵在启动过程中,会经常运行经过马鞍区,水泵在小流量工况下运行工作的时候,会呈现出振动、噪声等很多由流动不稳定性引起的一系列问题,而混流泵内部流动是非定常流动,会导致内部流体不稳定的脉动,而就此引发的水力激振力会导致结构产生振动,而长时间的交变载荷的作用会导致结构发生疲劳失效,这会减少机组的使用寿命,造成结构的破坏,降低其运行效率,会造成巨大的损失。因此,对喷水推进泵(混流泵)进行内流场分析和静力结构分析对其结构的设计和优化具有重要意义。本文在国家自然科学基金(51579118,51479083)、江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2015064-08)资助下,以Wartsila公司生产的喷水推进泵为模型进行了相关的研究,取得的成果如下:(1)采用UG 8.5商用三维造型软件对喷水推进泵(混流泵)建立三维结构域进行建模,包括全流场域(进口、叶轮、导叶、出口)和结构域(导流帽、叶轮、导叶、转轴),利用专业的网格划分软件ICEM CFD,对全流场进行高质量的六面体结构网格划分,对结构域则是利用ANSYS WORKBENCH14.5平台自带的网格划分工具进行四面体非结构网格划分,采用大涡模拟方法(LES)对流体域进行非定常多工况全流场数值模拟。(2)对不同监测点处的压力脉动进行时域和频域分析,可以发现,进口处的主频为叶频,随着监测点逐渐靠近壁面,压力脉动幅值越大;在叶轮出口,低频范围变大,主频向低频方向偏移;在导叶出口位置,压力脉动频率范围集中偏向低频区域,脉动幅值明显有所下降,随机脉动占据了主要位置;在小流量工况下,低频成分范围增加,脉动成分更加复杂,脉动幅值相对更大。(3)对喷水推进泵进行内部流场分析,可以看到,压强由进口端到出口端呈现递增趋势,压力面上的静压分布从进口到出口、从轮毂到轮缘逐渐增大,叶片静压的高压区域从叶片的中上部分转向发展到出口附近,叶片吸力面的压力从叶片的前缘到出口先增大后减小后再增大;跨距对吸力面静压载荷影响较小,但是对压力面的影响却很显著;在小流量工况下,在导叶的吸力面附近产生大量的漩涡涡团,从导叶进口到出口,漩涡大小先增大后减小,涡核附着在压力波动最小的导叶吸力面中间叶高区,随着涡团的发展,涡团逐渐从靠近导叶吸力面叶高区脱落,随着流量的增加,流道中的不稳定涡团显著减少;在大流量工况下运行的时候,轴向力随着流量的增加而减小,当流量减小,运行在驼峰区域的时候,轴向力却和流量呈现了正相关的关系,即轴向力随着流量的增加逐渐增加,随着扬程的增加而逐渐增大。(4)基于单向流固耦合技术对喷水推进泵的转子部件进行计算,结果表明:在叶轮进口轮缘附近出现了最大变形,从轮毂到轮缘变形逐渐变大,叶片的径向变形从轮毂到轮缘先减小后增大,变形量远小于总变形量;周向变形变化规律与总变形规律相似,且变形值和总变形值十分接近,表明周向变形是叶轮叶片变形的主要原因;压力面靠近轮毂附近出现了高应力区,甚至出现了应力集中的现象;固体结构在流体的反作用力和其他载荷的共同作用之下发生了明显的应力刚化,结构在各个方向上的刚度都有了明显的提高。(5)基于流动控制思想,采用辐条技术之后,驼峰区有了明显的改善,有效地减弱了叶轮进口截面的低频压力脉动,改善了小流量工况下的非稳定流动特性;随着辐条厚度d和数量n的增加,水泵的水力性能得到改善,扬程得到提升,但是当厚度和数量进一步增加时,扬程增长的幅度却明显降低;随着厚度d和数量n的增加,喷水推进泵的效率先增加后减小,存在一个提高水泵效率的最优值。
【关键词】：喷水推进泵 大涡模拟 压力脉动 流固耦合 静力分析 优化
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH313
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-14
• 1.1 课题研究目的和对经济和学术的价值和意义11
• 1.2 相关课题的研究现状11-12
• 1.2.1 压力脉动研究现状11-12
• 1.2.2 流固耦合研究现状12
• 1.3 本文主要研究内容12-13
• 1.4 本文主要技术路线13-14
• 第二章 流固耦合在ANSYS分析中的应用14-20
• 2.1 流固耦合的应用和基本理论14-15
• 2.2 流固耦合计算方法15-19
• 2.3 流固耦合在ANSYS分析中的应用19
• 2.4 本章小结19-20
• 第三章 喷水推进泵外特性和内部流场特性数值分析20-52
• 3.1 建立计算模型20-21
• 3.2 网格划分21-22
• 3.3 湍流模型22-24
• 3.4 边界条件24-25
• 3.5 计算结果分析25-36
• 3.5.1 外特性预测结果25-28
• 3.5.2 压力脉动数值分析28-36
• 3.6 内部流场计算结果36-49
• 3.6.1 叶片表面压力分布36-39
• 3.6.2 叶轮叶片载荷分布特性39-40
• 3.6.3 叶轮叶片轴面展开流线图和轴向速度图40-49
• 3.7 本章小结49-52
• 第四章 转子结构的应力分析和模态分析52-67
• 4.1 应力分析基本理论52-53
• 4.2 结构域网格划分及边界条件的设置53-54
• 4.3 计算结果分析54-61
• 4.3.1 变形分析54-59
• 4.3.2 强度分析59-61
• 4.4 模态分析61-65
• 4.4.2 系统在空气中的模态分析61-63
• 4.4.3 系统在预应力作用下的模态分析63-65
• 4.5 本章小结65-67
• 第五章 喷水推进泵性能改善的研究67-77
• 5.1 辐条控制技术对改善混流泵特性的研究67
• 5.2 计算模型的建立67-68
• 5.3 结果分析68-76
• 5.3.1 外特性分析68-69
• 5.3.2 内部流场分析69-71
• 5.3.3 压力脉动分析71-72
• 5.3.4 辐条参数对性能的影响72-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-80
• 6.1 研究总结77-79
• 6.2 工作展望79-80
• 参考文献80-83
• 致谢83-84
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与参加的科研工作84

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