混流式喷水推进泵流动失稳机制研究
发布时间：2021-02-22 04:39
混流式喷水推进泵由于具有振动噪声低、附体阻力小、抗空化性能强等突出优势,已成为各国科技及军事工业优先发展的方向。由于进水流道几何结构限制以及驱动轴扰动,喷水推进器在装船运行过程中进水流道在不同航速下均会发生流动分离现象,并形成周向分布不对称的非均匀进流。非均匀进流不仅导致喷水推进泵发生流动失稳,诱发性能下降,推力不足,还会导致各叶片载荷分布不均,加剧振动和噪声。同时,喷水推进器机动条件下常处于部分负载工况,极易诱发旋转失速等非稳定流动,进一步恶化了内部流场。因此,揭示喷水推进器内部流动失稳机制,探究非均匀进流与泵内流动响应的匹配性与关联性具有重要意义。本文在国家自然科学基金项目“近失速工况下混流泵轮缘泄漏流的动力学行为及失稳机制（项目编号:51679111）”等的资助下完成。基于对喷水推进泵进流条件的改变,探究了不同进流形态下喷水推进泵内流特性。本文主要研究工作及取得成果如下:（1）建立了喷水推进器全流场数值计算模型,利用CEL语言引入Wieghardt公式实现了对装置内流态的精确仿真,获得不同航速下喷水推进泵扬程、效率、推力等性能特性,揭示了各航速下进水流道流动分离的差异性及涡旋初生...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷水推进泵
江苏大学硕士学位论文3究。Duerr[21]基于全流场数值计算对喷水推进器进水流道内部涡流形态及产生流动分离诱因进行探究，并分别对进水流道斜坡处持续流向涡及船底边界层的流动分离现象进行捕捉，如图1.2所示。由于船底边界层流动分离的影响，靠近进水流道斜坡壁面的流线迎风角上游与斜坡处流动发生干涉效应，加剧了斜坡处流向涡的扩大。Brandner[22]对喷水推进器进水流道流态进行可视化试验研究，捕捉到了进水流道唇部处的涡空化形态，并指出船底边界层的增厚虽能显著减少斜坡处流动分离现象及泵进流面的流动畸变，但加大了进流面底部唇部区域涡空化的形成。总而言之，在轴系扰动、船底边界层、斜坡曲率、唇部入射等原因的共同作用下，喷水推进器进水流道在各航速下均存在较为显著的流动分离现象，并共同诱发了喷水推进泵进流面非均匀进流的形成。图1.2进水流道流动分离特性及非均匀进流成因[21]Fig.1.2Flowseparationcharacteristicsofwaterjetintakeductandinducementsofnon-uniforminflow[21]基于喷水推进器各航速下非均匀进流形态的差异性，国内外学者提出了评价指标来定量评价非均匀进流流态的不均匀性。Bulten[23]提出速度不均匀系数ζi来量化评价进流面速度分布的不均匀性，此种评价手段得到国内外学者广泛认可和采用[24-27]。由于喷水推进器是通过喷水推进泵做功所产生的动量差来推动船舶运行，为了量化船舶行进过程中的动量，Chesnakas[28]基于不均匀系数ζi提出了动量不均匀系数βM与能量不均匀系数βE。此外不少学者借鉴压气机进气畸变研究成果，提出畸变系数DC60、优值系数FOM等对喷水推进器非均匀进流进行定量评价[29-31]。1.2.2旋转失速的研究现状船舶在实际运行过程中不仅仅在某一固定航速下匀速运行，
混流式喷水推进泵流动失稳机制研究4响，且变化区间较小，但在机动条件下，尤其是启停状态下，喷水推进装置常处于部分负载工况运行。旋转失速是叶片泵在部分负荷条件下运行时出现的不稳定流动现象[32,33]，它不仅会造成极大的能量损失[34]，还会恶化流场，产生噪声，甚至威胁到叶片转子的使用寿命，造成叶轮叶片的损坏[35]。基于Emmons[36]提出的经典理论，叶轮由于周向不均匀扰动诱导旋转失速的发生。随着流动分离的加剧，会形成失速涡并堵塞流动通道，如图1.3所示。不稳定流动引起的能量耗散往往导致泵性能曲线在0.4Qdes和0.7Qdes之间出现马鞍区，这也是判断失速发生的标准之一[37]。不仅是混流泵在部分负荷条件下容易发生旋转失速，而且其他叶片泵、水轮机、风机、压缩机等几乎所有旋转机械在非设计工况下都容易发生旋转失速，甚至产生喘振，严重危及机组安全[38-41]。旋转失速广泛存在于部分负荷条件下的旋转机械中，严重影响旋转机械在工作区域内的稳定运行，造成流动失稳、能量耗散、振动加剧等现象，甚至引起喘振等危害机组安全的不良后果[42-44]，因此有必要对旋转失速的流动特性及传播机理进行研究。图1.3旋转失速经典理论[36]Fig.1.3Classicaltheoryofrotatingstall[36]目前，许多学者对旋转机械在失速条件下的内部流场进行了深入研究，详细讨论了旋转失速的诱发因素，并通过PIV和压力脉动试验分析了旋转失速的传播机理。Ye等[45]利用数值模拟和PIV测量方法分析了部分负荷条件下离心泵的流动不稳定性，指出叶轮出口存在大尺度涡。Ciocan[46]用PIV和激光多普勒测速技术研究了导叶内涡的产生与马鞍区现象之间的相互作用。Miyabe等[47]提出，叶片扩压器产生的向叶轮出口周期性大规模回流导致性能不稳
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷水推进和泵喷推进的概念：共性、特性及区别[J]. 王永生. 中国舰船研究. 2019(05)
[2]喷水推进进口流道唇口参数对出口不均匀度和驻点位置影响分析[J]. 汲国瑞,蔡佑林,李宁,俞瑜. 中国造船. 2016(04)
[3]非均匀进流下喷水推进泵的内流特性和载荷分布[J]. 王洋,曹璞钰,印刚,李贵东. 推进技术. 2017(01)
[4]旋转失速条件下离心泵叶轮压力脉动特性研究[J]. 周佩剑,王福军,姚志峰. 农业机械学报. 2015(10)
[5]泵喷水推进器研究进展[J]. 倪永燕,刘为民. 船海工程. 2013(05)
[6]进速比对喷水推进器进水流道性能影响研究[J]. 常书平,王永生,庞之洋,丁江明. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2010(04)
[7]喷水推进器进水流道不均匀度统一描述[J]. 魏应三,王永生. 武汉理工大学学报. 2009(08)
[8]喷水推进器的发展研究综述[J]. 李晓晖,朱玉泉,聂松林. 液压与气动. 2007(07)
[9]喷水推进器推力的动量计算法[J]. 孙存楼,王永生,丁江明,刘承江. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2006(06)
[10]现代喷水推进装置的演变[J]. 刘承江,王永生,丁江明,孙存楼. 舰船科学技术. 2006(04)
博士论文
[1]喷水推进泵水力优化设计方法及空化研究[D]. 龙云.上海交通大学 2018
硕士论文
[1]螺旋混流式喷水推进泵启动过程的瞬态特性研究研究[D]. 韩阳.兰州理工大学 2019
本文编号：3045462
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷水推进泵
江苏大学硕士学位论文3究。Duerr[21]基于全流场数值计算对喷水推进器进水流道内部涡流形态及产生流动分离诱因进行探究，并分别对进水流道斜坡处持续流向涡及船底边界层的流动分离现象进行捕捉，如图1.2所示。由于船底边界层流动分离的影响，靠近进水流道斜坡壁面的流线迎风角上游与斜坡处流动发生干涉效应，加剧了斜坡处流向涡的扩大。Brandner[22]对喷水推进器进水流道流态进行可视化试验研究，捕捉到了进水流道唇部处的涡空化形态，并指出船底边界层的增厚虽能显著减少斜坡处流动分离现象及泵进流面的流动畸变，但加大了进流面底部唇部区域涡空化的形成。总而言之，在轴系扰动、船底边界层、斜坡曲率、唇部入射等原因的共同作用下，喷水推进器进水流道在各航速下均存在较为显著的流动分离现象，并共同诱发了喷水推进泵进流面非均匀进流的形成。图1.2进水流道流动分离特性及非均匀进流成因[21]Fig.1.2Flowseparationcharacteristicsofwaterjetintakeductandinducementsofnon-uniforminflow[21]基于喷水推进器各航速下非均匀进流形态的差异性，国内外学者提出了评价指标来定量评价非均匀进流流态的不均匀性。Bulten[23]提出速度不均匀系数ζi来量化评价进流面速度分布的不均匀性，此种评价手段得到国内外学者广泛认可和采用[24-27]。由于喷水推进器是通过喷水推进泵做功所产生的动量差来推动船舶运行，为了量化船舶行进过程中的动量，Chesnakas[28]基于不均匀系数ζi提出了动量不均匀系数βM与能量不均匀系数βE。此外不少学者借鉴压气机进气畸变研究成果，提出畸变系数DC60、优值系数FOM等对喷水推进器非均匀进流进行定量评价[29-31]。1.2.2旋转失速的研究现状船舶在实际运行过程中不仅仅在某一固定航速下匀速运行，
混流式喷水推进泵流动失稳机制研究4响，且变化区间较小，但在机动条件下，尤其是启停状态下，喷水推进装置常处于部分负载工况运行。旋转失速是叶片泵在部分负荷条件下运行时出现的不稳定流动现象[32,33]，它不仅会造成极大的能量损失[34]，还会恶化流场，产生噪声，甚至威胁到叶片转子的使用寿命，造成叶轮叶片的损坏[35]。基于Emmons[36]提出的经典理论，叶轮由于周向不均匀扰动诱导旋转失速的发生。随着流动分离的加剧，会形成失速涡并堵塞流动通道，如图1.3所示。不稳定流动引起的能量耗散往往导致泵性能曲线在0.4Qdes和0.7Qdes之间出现马鞍区，这也是判断失速发生的标准之一[37]。不仅是混流泵在部分负荷条件下容易发生旋转失速，而且其他叶片泵、水轮机、风机、压缩机等几乎所有旋转机械在非设计工况下都容易发生旋转失速，甚至产生喘振，严重危及机组安全[38-41]。旋转失速广泛存在于部分负荷条件下的旋转机械中，严重影响旋转机械在工作区域内的稳定运行，造成流动失稳、能量耗散、振动加剧等现象，甚至引起喘振等危害机组安全的不良后果[42-44]，因此有必要对旋转失速的流动特性及传播机理进行研究。图1.3旋转失速经典理论[36]Fig.1.3Classicaltheoryofrotatingstall[36]目前，许多学者对旋转机械在失速条件下的内部流场进行了深入研究，详细讨论了旋转失速的诱发因素，并通过PIV和压力脉动试验分析了旋转失速的传播机理。Ye等[45]利用数值模拟和PIV测量方法分析了部分负荷条件下离心泵的流动不稳定性，指出叶轮出口存在大尺度涡。Ciocan[46]用PIV和激光多普勒测速技术研究了导叶内涡的产生与马鞍区现象之间的相互作用。Miyabe等[47]提出，叶片扩压器产生的向叶轮出口周期性大规模回流导致性能不稳
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷水推进和泵喷推进的概念：共性、特性及区别[J]. 王永生. 中国舰船研究. 2019(05)
[2]喷水推进进口流道唇口参数对出口不均匀度和驻点位置影响分析[J]. 汲国瑞,蔡佑林,李宁,俞瑜. 中国造船. 2016(04)
[3]非均匀进流下喷水推进泵的内流特性和载荷分布[J]. 王洋,曹璞钰,印刚,李贵东. 推进技术. 2017(01)
[4]旋转失速条件下离心泵叶轮压力脉动特性研究[J]. 周佩剑,王福军,姚志峰. 农业机械学报. 2015(10)
[5]泵喷水推进器研究进展[J]. 倪永燕,刘为民. 船海工程. 2013(05)
[6]进速比对喷水推进器进水流道性能影响研究[J]. 常书平,王永生,庞之洋,丁江明. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2010(04)
[7]喷水推进器进水流道不均匀度统一描述[J]. 魏应三,王永生. 武汉理工大学学报. 2009(08)
[8]喷水推进器的发展研究综述[J]. 李晓晖,朱玉泉,聂松林. 液压与气动. 2007(07)
[9]喷水推进器推力的动量计算法[J]. 孙存楼,王永生,丁江明,刘承江. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2006(06)
[10]现代喷水推进装置的演变[J]. 刘承江,王永生,丁江明,孙存楼. 舰船科学技术. 2006(04)
博士论文
[1]喷水推进泵水力优化设计方法及空化研究[D]. 龙云.上海交通大学 2018
硕士论文
[1]螺旋混流式喷水推进泵启动过程的瞬态特性研究研究[D]. 韩阳.兰州理工大学 2019
本文编号：3045462
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