喷水推进器倒车水斗流动特性及优化设计研究

发布时间：2020-10-28 07:30

　　 船用喷水推进器具有抗空化能力强、机动性好、噪音低、阻力与振动小等优点,在高速客渡船以及军用高性能舰船上有着广泛的应用。目前,国内外对于喷水推进器的研究逐渐趋于成熟,但对于喷水推进器倒车水斗的研究还比较罕见,而传统倒车水斗的水力性能较差,倒车效率较低,严重威胁到船舶航行的安全性。因此,本文对喷水推进器倒车水斗内部流场流动特性进行研究,并对其导流板的结构参数进行优化设计,以提高倒车水斗的水力特性。本文的主要研究工作和成果如下:(1)对喷水推进器倒车水斗进行三维建模,并对各计算域进行结构网格划分以及网格无关性验证。基于CFD软件对不同进口流速下喷水推进器倒车水斗进行定常数值计算,对比发现数值模拟得到的推力性能曲线与试验数据吻合较好,说明数值模拟研究倒车水斗的水力特性具有较好的准确性与可靠性;受离心力的影响,在流道转弯处的压力梯度以及能量损失较大,流动较为紊乱;受卷吸环境流的影响,使得流道内速度场以及压力场分布很不均匀。(2)采用控制变量的方法,分别对不同结构参数下的倒车水斗模型进行数值模拟,对比分析导流板不同结构参数对倒车水斗内部流场以及推力性能的影响。结果表明:导流板安放角过大或者过小都不利于流道内流场的分布;推力随着导流板基点安放距离以及导流板厚度的减小而增大。(3)对喷水推进器倒车水斗模型分别进行气液两相定常和非定常数值计算,分析不同进口含气率下倒车水斗流道内气液两相分布变化规律,并探究其对倒车水斗性能的影响。结果表明:由于流道大角度弯曲的影响,气体主要分布在流道内侧,水体主要分布在流道外侧;在气相浓度较高处湍动能值较大并且会产生旋涡,适当的气体含量可以有效的提高倒车水斗的推动效率。(4)在倒车水斗导流板原设计模型的基础上,基于Box-Behnken Design试验设计和响应曲面法对喷水推进器倒车水斗进行多目标优化设计,通过对优化模型的显著性进行检验,说明使用响应曲面法对倒车水斗进行优化设计是可行的。优化结果表明:相较于原模型,水斗流道内流场的分布得到了明显的改善,推力提高了约2.5%;水斗壁面的最大压力从133465Pa降低到了127468Pa,减小了约4.5%,有效地提高了倒车水斗的水力特性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U664.34
【部分图文】：

背景及意义喷水推进技术的快速发展以及“中国制造 2025”的提出，海洋工能船舶已经成为我国一项重要的课题。船用喷水推进器具有抗空化性好、噪音低、阻力与振动小、浅水航行时有较强的适应性、高速等优点，在高速客渡船以及军用高性能舰船上有着广泛的应用[1-主要由进水流道、喷水推进泵、转向喷嘴、倒车水斗、液压与控制图 1.1 所示。喷水推进是不同于传统螺旋桨的一种特殊推进方式，机带动喷泵叶轮转动，从船底进水流道吸入水流，经过叶轮做功使的喷嘴喷射出，产生反作用力推动船体往前运动[5]。通过操舵系统的角度，改变喷射水流的方向实现船舶矢量转弯；通过倒航系统控收放，使得射流折回产生向后作用力实现倒船的功能。

江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文分界面随波动的方向呈现波浪形。又称段塞流。随着进气量的进一步增大，两相打湿管道的上壁面，从而导致气相被液相分割顶部流动。在管道中部气体夹杂着液滴、液雾形成雾状流液膜沿着管道壁面向前流动。进气量继续增大，导致气柱与管道壁面之间的

图 2.2 响应曲面法设计流程图Fig.2.2 Flow chart of design based on the response surface method.4 本章小结（1）着重介绍了数值计算控制方程与不同的湍流模型，通过对比不同湍型的优缺点，最终确定本文研究所使用的湍流模型。（2）对气液两相流的基础知识进行了介绍，主要包括气液两相流特定参定义以及计算公式，管道内气液两相流动的不同流型，为后续开展喷水推进车水斗气液两相流研究提供了理论依据。（3）介绍了优化设计的基本理论，并对响应曲面优化法进行了概述，结水推进器倒车水斗的优化目标以及响应要求，选择可以同时满足多个响应目响应曲面优化方法对其进行优化设计。
【参考文献】

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本文编号：2859787