后置定子对喷水推进泵性能的影响规律
发布时间：2021-11-02 09:25
采用RNGk-ε模型对不同后置定子叶数的喷水推进泵性能进行数值模拟,采用4119桨进行数值验证,计算结果误差均在3%以内,可有效预报水动力学性能。基于现有模型喷水推进泵,分析其水动力学性能,对比不同叶数定子的喷水推进泵性能,分析其推力性能,发现随着定子叶数增加到11叶,推力增大了5.7%,随着叶数继续增加,推力降低,最终只提高了2.1%;对转子推力进行傅里叶分析,发现转子的频域特性并未发生变化;同时分析尾流场压力脉动和湍动能分布,增加定子叶数可改善尾部流场的压力脉动,降低脉动值,随着叶数继续增大,脉动值又增加,其变化趋势与湍动能分布相同。通过掌握定子对喷水推进泵尾流场的影响特性,奠定喷水推进泵设计基础。
【文章来源】：船舶工程. 2020,42(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
喷水推进泵网格划分
3kkkjkjeffjjkCCukuxCCUxtxxxCCGCk（2）式中：Cε1=1.42；Cε2=1.68；β=0.015；Cμ=0.085；311C[12C3m(n1)(1)6CC]/3；03(1/)1C；Sk/；024.28ijijSSS。1.2方法验证为验证数值计算结果的准确性，本文以4119桨为验证桨模型，进行数值仿真计算，与试验值对比[13]，4119桨单叶模型如图1所示。螺旋桨表面（包括叶面、叶背和桨毂）定义为不可滑移壁面条件，外壁面不考虑黏性作用，采用刚性壁面wall。计算时采用单一旋转参考坐标系模型，将旋转参考坐标系中心设置为螺旋桨中心，由于螺旋桨旋转方向与Z轴方向相反，旋转中心为(0,0,0)，转轴为(0,0,1)。外域采用绝对静止坐标系，两域之间利用INTERFACE边界进行连接，流场通过INTERFACE插值进行信息传递。桨叶网格划分如图2所示。图1桨叶计算域图2桨叶网格分布数值计算过程中采用的是全通道计算域。进速系数J分别取为0.5、0.7、0.833、0.9，螺旋桨转速n为一定值，即600r/min，进速系数的变化通过改变来流流速大小来实现。通过FLUENT模拟计算，从计算结果中提取出不同进速系数J情况下的螺旋桨推力与转矩，进行误差分析如表1所示。表1误差分析进速推力计算值/N推力试验值/N误差/%扭矩计算值/(N·m)扭矩试验值/(N·m)误差/%0.5256.7254.391.0213.1813.021.220.7191.07184.882.2510.079.862.130.833130.781
，其桨叶直径0.0096m，转子为6叶，定子采用后置定子，叶数分别为7叶、9叶、11叶、13叶、15叶。数值计算采用Fluent软件开展分析工作，进口条件采用质量流量入口，转速为1450r/min，出口条件为outflow。采用动网格进行喷水推进泵旋转计算，喷水推进泵计算域模型如图5所示。其中，喷水推进器泵定子局部网格划分如图6所示，进行了局部加密，以精确捕捉叶轮及定子附近的涡旋流动。3计算结果与分析3.1推力特性的分析通过CFD数值计算，喷水推进泵的流线图如图7所示，叶轮旋转产生的强旋流动，经后置定子泄出，流线显示，后置定子对旋转流动具有整流作用，不同叶数的后置定子对其整流效果有所不同。计算完成后，获得不同叶数后置定子的喷水推进泵的推力特性，具体如图8所示。以设计工况Q=40m3/h为例，随着定子叶数的增加，喷水推进泵的推力逐渐增加，11叶定子的喷水推进泵推力较7叶大5.7%，当定子叶数增大到一定程度后，推力又逐渐减小，15叶定子的推力较7叶大2.1%，这说明一定叶数的定子有利于泵叶片尾流场的改善，当定子叶数增大到一定程度后，尾流场的改善效果不能抵消定子产生的阻力，由此发现具有15叶定子的泵推力又减小了。图5喷水推进泵网格划分a)定子速度三角形b)定子网格图6喷水推进泵定子图7流线分布图8推力特性2530354045202224262830327叶9叶11叶13叶15叶推推/N流流/(m3/h)uv2w2
【参考文献】：
期刊论文
[1]非浸没式刚性植被群分布对弯道水流的影响[J]. 杨彧,林颖典. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(12)
[2]蒸汽发生器致畸变入流对核主泵流动性能的影响[J]. 王悦荟,刘聪,王鹏飞,许忠斌,阮晓东,付新. 浙江大学学报(工学版). 2019(11)
[3]螺旋桨尾流-自由叶轮耦合作用的数值模拟[J]. 胡健,张维鹏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(10)
[4]多工况下粗糙度对离心泵进口流动机理研究[J]. 李金琼,宋文武,万丽佳,石乘帆. 热能动力工程. 2019(10)
[5]螺旋桨-冰接触工况下载荷试验研究[J]. 郭春雨,徐佩,骆婉珍,王恋舟. 船舶力学. 2019(08)
[6]基于正交试验的喷水推进器参数优化设计[J]. 张天行,李金鹏. 船舶工程. 2019(05)
[7]基于湍动能的转套式配流系统流场特性分析[J]. 张延君,张洪信,赵清海,姜晓天,程前昌. 青岛大学学报(工程技术版). 2018(04)
[8]前置预旋定子的剖面设计[J]. 苗飞,黄国富,黄树权. 船海工程. 2017(04)
[9]前置预旋定子的最佳设计环量研究[J]. 凌乃俊,苗飞,黄国富. 中国造船. 2014(04)
[10]定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响[J]. 饶志强,李巍,杨晨俊. 上海交通大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
本文编号：3471780
【文章来源】：船舶工程. 2020,42(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
喷水推进泵网格划分
3kkkjkjeffjjkCCukuxCCUxtxxxCCGCk（2）式中：Cε1=1.42；Cε2=1.68；β=0.015；Cμ=0.085；311C[12C3m(n1)(1)6CC]/3；03(1/)1C；Sk/；024.28ijijSSS。1.2方法验证为验证数值计算结果的准确性，本文以4119桨为验证桨模型，进行数值仿真计算，与试验值对比[13]，4119桨单叶模型如图1所示。螺旋桨表面（包括叶面、叶背和桨毂）定义为不可滑移壁面条件，外壁面不考虑黏性作用，采用刚性壁面wall。计算时采用单一旋转参考坐标系模型，将旋转参考坐标系中心设置为螺旋桨中心，由于螺旋桨旋转方向与Z轴方向相反，旋转中心为(0,0,0)，转轴为(0,0,1)。外域采用绝对静止坐标系，两域之间利用INTERFACE边界进行连接，流场通过INTERFACE插值进行信息传递。桨叶网格划分如图2所示。图1桨叶计算域图2桨叶网格分布数值计算过程中采用的是全通道计算域。进速系数J分别取为0.5、0.7、0.833、0.9，螺旋桨转速n为一定值，即600r/min，进速系数的变化通过改变来流流速大小来实现。通过FLUENT模拟计算，从计算结果中提取出不同进速系数J情况下的螺旋桨推力与转矩，进行误差分析如表1所示。表1误差分析进速推力计算值/N推力试验值/N误差/%扭矩计算值/(N·m)扭矩试验值/(N·m)误差/%0.5256.7254.391.0213.1813.021.220.7191.07184.882.2510.079.862.130.833130.781
，其桨叶直径0.0096m，转子为6叶，定子采用后置定子，叶数分别为7叶、9叶、11叶、13叶、15叶。数值计算采用Fluent软件开展分析工作，进口条件采用质量流量入口，转速为1450r/min，出口条件为outflow。采用动网格进行喷水推进泵旋转计算，喷水推进泵计算域模型如图5所示。其中，喷水推进器泵定子局部网格划分如图6所示，进行了局部加密，以精确捕捉叶轮及定子附近的涡旋流动。3计算结果与分析3.1推力特性的分析通过CFD数值计算，喷水推进泵的流线图如图7所示，叶轮旋转产生的强旋流动，经后置定子泄出，流线显示，后置定子对旋转流动具有整流作用，不同叶数的后置定子对其整流效果有所不同。计算完成后，获得不同叶数后置定子的喷水推进泵的推力特性，具体如图8所示。以设计工况Q=40m3/h为例，随着定子叶数的增加，喷水推进泵的推力逐渐增加，11叶定子的喷水推进泵推力较7叶大5.7%，当定子叶数增大到一定程度后，推力又逐渐减小，15叶定子的推力较7叶大2.1%，这说明一定叶数的定子有利于泵叶片尾流场的改善，当定子叶数增大到一定程度后，尾流场的改善效果不能抵消定子产生的阻力，由此发现具有15叶定子的泵推力又减小了。图5喷水推进泵网格划分a)定子速度三角形b)定子网格图6喷水推进泵定子图7流线分布图8推力特性2530354045202224262830327叶9叶11叶13叶15叶推推/N流流/(m3/h)uv2w2
【参考文献】：
期刊论文
[1]非浸没式刚性植被群分布对弯道水流的影响[J]. 杨彧,林颖典. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(12)
[2]蒸汽发生器致畸变入流对核主泵流动性能的影响[J]. 王悦荟,刘聪,王鹏飞,许忠斌,阮晓东,付新. 浙江大学学报(工学版). 2019(11)
[3]螺旋桨尾流-自由叶轮耦合作用的数值模拟[J]. 胡健,张维鹏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(10)
[4]多工况下粗糙度对离心泵进口流动机理研究[J]. 李金琼,宋文武,万丽佳,石乘帆. 热能动力工程. 2019(10)
[5]螺旋桨-冰接触工况下载荷试验研究[J]. 郭春雨,徐佩,骆婉珍,王恋舟. 船舶力学. 2019(08)
[6]基于正交试验的喷水推进器参数优化设计[J]. 张天行,李金鹏. 船舶工程. 2019(05)
[7]基于湍动能的转套式配流系统流场特性分析[J]. 张延君,张洪信,赵清海,姜晓天,程前昌. 青岛大学学报(工程技术版). 2018(04)
[8]前置预旋定子的剖面设计[J]. 苗飞,黄国富,黄树权. 船海工程. 2017(04)
[9]前置预旋定子的最佳设计环量研究[J]. 凌乃俊,苗飞,黄国富. 中国造船. 2014(04)
[10]定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响[J]. 饶志强,李巍,杨晨俊. 上海交通大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
本文编号：3471780
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