喷水推进泵水力优化设计方法及空化研究

发布时间：2020-07-07 18:34

【摘要】：喷水推进泵的设计不仅受到船舶舰艇空间尺寸的限制,而且要保证在高航速时高效低噪声运行。对于高速舰船,推进器内的空化是主要噪声源。在喷水推进泵水动力设计时,在保证泵的扬程前提下,提高泵的水力效率和空化性能。目前还缺少一种能够适用于快速优化设计的空化预测方法。因此,开展喷水推进泵的水力优化设计方法和空化预测方法研究是十分必要的。本文从喷水推进泵水力优化中存在的工程问题入手,针对喷水推进泵水力优化设计方法和空化预测方法开展理论、数值和试验研究。首先,提出一种叶轮高效水力优化设计策略,获得一套扬程、效率和空化性能较优的喷水推进泵。在此基础之上,通过高速摄像试验获得发生和发展过程中喷水推进泵空化流动结构演变机理。再次,为了建立空化流动结构和空化性能的关联性,针对喷水推进泵空化流动开展数值计算和试验对比研究,获得与空化性能相关的空化特征,为空化性能预测方法提供试验和理论支撑。最后,提出一种适用于多参数多目标自动优化的空化性能预测方法,并通过试验验证该预测方法的可行性,从而在工程上解决水力机械空化性能的快速预测问题。主要工作内容及结论如下:(1)为了获得一组性能较高的喷水推进泵,采用叶片参数化三维反设计方法设计初始模型,通过多参数控制叶片形状,采用拉丁超立方构建优化参数样本空间,对构建的样本开展数值计算,获得优化目标扬程、效率和最低压力点,采用人工神经网络建立优化目标和优化参数之间的近似函数模型,采用NSGA-Ⅱ遗传算法对近似函数模型进行寻优,构建一种基于多参数多目标遗传算法的喷水推进泵叶轮优化策略,有效快速的设计出一套优秀的水力模型,并开展水力性能的试验验证。(2)通过高速摄像技术获得空化发生和发展过程中喷水推进泵空化流动结构特,空化涡结构包括片状空化、云状空化、叶顶间隙空化、叶顶泄漏涡空化和垂直空化涡,试验捕捉了空化演变的物理过程,分析各空化流动结构对泵性能下降影响,为新的空化预测方法提供试验参考。(3)为了建立空化流动结构和空化性能的关联性,获得与空化性能相关的空化流动特征,将采用SST k-?湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型,开展喷水推进泵空化数值计算与空化可视化试验对比研究,并以此分析喷水推进泵性能陡降时关键的空化流动特征,研究表明覆盖在叶片吸力面靠近叶片顶部的叶顶间隙涡和附着在叶片吸力面的片状空化之间干涉对性能断裂起关键作用。(4)在单相流介质下,通过数值计算获取喷水推进泵内部流场,建立压力等值面P_(iso)构建方法,并以此建立压力等值面面积占叶片面积的面积比R_s的构建方法。在设计工况下当空化发生后,压力等值面面积S_(iso)和装置汽蚀余量满足一次线性公式S_(iso)=-0.014063NPSH_a+0.123204,压力等值面面积S_(iso)随着装置汽蚀余量NPSH_a线性增加。并依此提出了基于单相流压力等值面面积比的空化性能预测方法。应用该方法对不同流量下喷水推进泵的空化性能进行预测,并结合试验验证该方法的准确性和可行性。研究表明选取面积比为13.718%和13.826%时,喷泵空化性能预测结果更为准确。同时该预测方法对不同来流具有较好的敏感性,论证了该方法适用于多参数多目标自动优化设计。综上所述,本文开展了喷水推进泵优化设计方法和空化研究。基于叶片参数化三维反设计方法设计初始模型,并构建一种基于多参数多目标遗传算法的喷水推进泵叶轮优化策略,获得一组性能较高的喷水推进泵水力模型。通过高速摄像技术获得空化发生和发展过程的空化涡流动特征,建立空化流动结构和空化性能的关联性,为空化性能预测提供更科学的空化特征。建立了压力等值面面积比的构建方法,提出了基于压力等值面面积比的喷水推进泵空化性能预测方法。该方法不仅适用于喷水推进泵的空化性能预测,而且可以拓展到叶片式水力机械的空化性能预测,将在工程上解决水力机械空化性能快速预测问题。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.34
【图文】：

示意图,喷水推进泵,示意图

(b) 结构图图 1-1 喷水推进泵示意图Figure 1-1 Waterjet Pump推进技术发展的关键是开展喷水推进泵高效率和高抗空化性内喷水推进泵技术普遍低于国外水平，又受制于国外技术的军事领域的竞争性。喷水推进泵的设计不仅受到船舶舰艇空间要保证在高航速时高效低噪声运行。外研究现状，喷水推进泵水力设计研究主要围绕两个方面，分别是设计方设计方法上，针对叶片设计方法、参数化方法和自动优化算抗空化设计、流动分离控制和级间耦合优化研究。而在设计扬程、效率和空化，开展了多目标优化和空化性能预测研究单相流计算方法预测泵的空化性能的理念为：通常空化发生在

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图 1-2 子午面方向环量导数的标准形状及控制变量tandard shape for the meridional swirl velocity derivative, witfang[29]采用修正的 NSGA-Ⅱ算法并耦合动态拥挤距流泵的多目标优化。固定泵的子午面流道（如图计方法选择轮缘和轮毂的十个变量来控制叶片载荷示。优化目标为水力效率和叶轮扬程，优化流程如网络（RBNN）以 82 个训练样本近似目标函数，对泵的性能的影响。优化后的模型叶轮达到 92%，度梯度更光滑。图 1-3 混流式喷水推进泵的子午面形状

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图 1-2 子午面方向环量导数的标准形状及控制变量gure 1-2 Standard shape for the meridional swirl velocity derivative, with cong Renfang[29]采用修正的 NSGA-Ⅱ算法并耦合动态拥挤距离（推进混流泵的多目标优化。固定泵的子午面流道（如图 1-3 维反设计方法选择轮缘和轮毂的十个变量来控制叶片载荷，叶 1-2 所示。优化目标为水力效率和叶轮扬程，优化流程如图基神经网络（RBNN）以 82 个训练样本近似目标函数，局部键变量对泵的性能的影响。优化后的模型叶轮达到 92%，且高入面速度梯度更光滑。

【参考文献】