文摘

本研究利用计算流体动力学(CFD)和实验研究探索进气导管的长度对喷水推进泵装置的水力性能。通过扩展斜直,长进气导管的管部分,6套方案设计。研究结果表明,随着进气导管的长度增加,头部,推力,和进气装置喷水推进泵的效率先增加然后减少,方案4中达到最大值,但它几乎没有影响整个喷水推进系统的效率。此外,扩展后的斜直长管部分进气流道、出口截面的速度分布流的通道逐渐统一,和涡度的绝对值的增加和减少,但速度分布的均匀性和加权平均角变化小。本研究丰富了进气导管的研究理论也提供了一个参考的选择进气导管长度及其性能优化。

1。介绍

尽管传统的螺旋桨推进在中低速度,推进效率高和位移船只的螺旋桨推进效率约为65% (1],喷水推进泵装置效率高,低噪音当船旅行在高速度,它被广泛用于高速船只(2]。在过去的几十年里,随着计算机技术的快速发展,CFD技术已广泛应用于许多领域,其中很多研究已经完成在流体机械(泵的水力性能3- - - - - -7]。为了保证数值模拟的准确性,大量的研究通过实验和数值模拟相结合的方法进行比较来获得更可靠的研究成果(8- - - - - -12]。各种数学方法被广泛使用,结合解决实际工程问题的数值模拟[13- - - - - -16]。喷水推进的主旨是通过反应部队的喷水推进泵。进水口管道的主要组件之一是转移从船的底部水流推进泵。因此,进水口管道的性能将会影响整个推进系统的性能。

关于进气装置的参数优化,焦et al。17,18]分析了进气装置的性能之间的关系和船的速度和获得最佳优化条件下的几何参数值。黄等。19]NSGA-II和TOPSIS技术改善和优化进气装置的性能不均匀,垂直度的出口和液压作为优化目标。龚et al。20.转向系统控制)设计了一个模型预测控制器。关于研究进气装置的内部流动特性,公园等。21]分析了速度矢量和进气装置的简化数值结果以及压力分布,显示造成的涡流分离侧墙的角落,并解释了进气道内的流动现象。丁和王22)利用计算流体动力学决定进气道的流动损失,从而进一步提高预测精度的推进整个喷水推进系统的性能。徐et al。23)使用HSV显示薄层色谱的发展和解决技巧漏空化的问题。曹et al。24)进行数值模拟的喷水推进泵设备和显示之间的内部关系的内部流动的不均匀进气导管和喷水推进泵设备的性能偏差和本质上研究了均匀和非均匀吸流之间的性能偏差。关于创新的研究方法进气道流路径,黄和罗25]NSGA-II和TOPSIS技术改善和优化的性能与不均匀进气流道出口的垂直度和液压作为优化目标。林道市et al。26)使用了方法进行深入研究空化水射流轴流水泵的性能。龚et al。27利用PIV测量速度分布。金伯尔和泰勒(28],科尔文[29日)等,基于螺旋桨的升力面理论设计,结合了数值计算,研究进行喷水推进泵的设计方法和获得一定的法律。龚et al。30.]研究了喷水推进系统和船体之间的相互作用,发现进气通道的不同的设计会导致不同的他们之间的相互作用,导致四个喷水推进系统之间的性能差异。前辈进行了大量的研究工作在进气导管和整个喷水推进泵设备,但也有几个方面的分析和优化进气装置的参数。

针对这一点,进气装置的性能优化具有重要意义的应用整个喷水推进泵设备。为了理解的影响进气导管的长度进气装置的外部特征,进气装置的插座的一致性,进气装置的内部特性,数值模拟,定性和定量分析将在本文中进行。这有利于喷水推进泵的应用设备在船上也扩展了理论分析进气装置的内容。

2。数值模拟方法

2.1。计算域

因为进气道的性能从船体结构和工作条件是分不开的,和进气道的性能也将影响推进泵的水力性能,控制身体应该在推进泵进水口底部的斯特恩在执行性能分析进气导管。图1显示整个喷水推进系统,包括进气装置,推进泵(混流泵)和喷嘴。根据文献[31日),长度、宽度和高度的流场控制身体,分别为30D,10D,8D(D是出口的进气导管的直径,D=223.4毫米)。

2.2。网格生成和独立分析

利用ICEM软件完成进气导管的结构化网格,推进泵,和水体;计划与不同网格数量如表所示1。随着网格数量的增加,仿真结果的准确性逐步改善,但与此同时对计算资源的需求也会增加。国内外机构明确指导和CFD可信度的定义分析,理查森和他们中的大多数使用外推法计算错误造成的计算域。是否它是一个高阶低阶格式,数值计算结果的网格会接近精确解(32]。

为了获得最合适的网格数量,改变水的网格大小的方法进水道用于验证网格独立;随着网格数量的增加,喷水推进泵装置效率的计算,直到计算结果在允许范围内。

如图2,当进气流道的网格数量是126万,135万年到148万年,泵装置的效率几乎没有变化。计算结果表明,当网格的数量超过135万,泵装置效率的变化是0.018%和0.004%,分别可视为与网格无关的结果。因此,网格的数量的进口运动员是135万(如图3)。

2.3。边界条件

这篇文章是一个稳定的计算。IVR = 0.45 (IVR船舶速度的比值平均轴向外流速度通道出口)。摘要水体的入口边界设置为速度入口,而速度是8米/秒。名义湍流强度(值5%),水力直径是993毫米。水体的出口和喷嘴的出口将平均静压值是一个大气压力,叶轮转速700 r / min。两个接口的帧改变/混合模型与叶轮将冻结转子。其他接口的帧改变/混合模型将冻结转子。湍流模型的选择标准k- - - - - -ε湍流模型(33),应用一阶逆风计划,并设置收敛精度为10⁻⁵(如图4)。

2.4。研究案例

为了分析进气导管的长度的影响本身和整个喷水推进系统,六个方案设计(如表所示2)。以选项4为原方案,倾向于直管部分的长度l=1.12D(D是进气装置的出口部分的直径),进气导管的倾角是35°,进气装置的高度H=lcos35°+h(h之间的垂直距离是倾向于直管部分的上端和下端的进气导管出口部分)(如图5)。当长度l斜直管部分的改变,整个进气导管的长度会相应改变。因为角度是恒定的,跑步者的高度也相应变化(如表所示2)。通过这六个项目的分析,可以得出一定的规则。

2.5。分析参数

2.5.1。外特性

效率是一个综合考虑喷水推进系统的性能指标,可以反映喷水推进系统的优缺点。因此,公式(1)- (3)和公式(4)将被用来计算进气装置效率和效率整个系统,分别 将被用作分析指数获得的图像效率的变化规律与进气导管的长度,在哪里代表进口运动员在第四方案的效率。

进气装置的效率计算公式

的公式, , ,和进气装置效率,跑步者的总能量入口,分别和流道出口的总能量。

喷水推进系统的效率。系统推进效率的物理意义是系统的输出功率的比值推进泵的输出功率(34,考虑到管道损失系数K₁,因为 (一个是喷嘴面积),带进吗

的公式,喷嘴的轴向流速;船的速度;α边界层的影响系数,一般0.95;和K₁0.45管道系数,一般。

2.5.2。分析流动均匀性

为了定量分析出口的流量均匀进气装置的一部分(如图6),目标函数速度分布均匀性和加权平均角θ在此选为判断依据。(θ是指每个节点的速度的加权平均所选部分)。

速度分布均匀性是表示为 在哪里是出口的流速分布均匀进气装置的部分;的平均轴向速度的入口部分叶轮室;是每个单元的轴向速度在进口叶轮室的部分;和米是单位的数量除以部分在流场的数值计算。

加权平均出口速度分布角(35)是 在哪里是速度的加权平均角在出口处的跑步者;是每个单元的轴向速度在进口叶轮室的部分;和是每个单元的横向速度在进口的泵。

2.5.3。推力特性

喷水推进系统依赖的水射流喷嘴获得反向推力推动船。因此,水的推力喷气推进系统是一个非常重要的指标。在一个理想的状态,从喷嘴出口流不能旋转,只轴高速流动的部分,所以喷嘴的速度分布密切相关,水射流的推力(36]。本文把计算域的控制身体,根据动量定理,我们可以得到

为此,下面的公式是用来计算推力的装置,和相对增量计算的基础上,计划4。

整个装置的推力(37)是 在哪里一个喷嘴的横截面积;是流体密度;喷嘴的轴向流速;是在进气装置的入口流速;船的速度;和边界层的影响系数,一般0.95。

3所示。实验验证

本文模型在文献[38)被选中。为了验证数值模拟的可靠性,在文献中相同的边界条件设置计算喷水推进泵的效率在同样的工作条件。所选的测试设备如图7。构建一个测试工具,包括两个闭环回路。一个电路是用于提供导航速度推进泵系统。另一种是应用于测量泵水系统的性能。推进器的推进泵系统包括泵、导叶,一个入口通道。泵是通过一个系统由直流电机驱动。频率控制器是用来调节轴转速。泵的流量是由电磁流量计测量精度为±0.5%。仪器的系统不确定性测量头±0.1%(包括整个实验系统的不确定性不确定性和随机不确定性)。

图8是一个性能测试结果和实验结果之间的比较。图使用一系列的流点作为横坐标,头和效率作为纵坐标数值模拟结果与实验数据进行比较。从图可以看出,随流量的增加而减小,效率随流量的增加。喷水推进装置的实验结果和数值结果的总体趋势是一致的,因此本文中数值模拟的结果是可信的。

4所示。性能分析

为了充分分析进气导管的长度的影响进气导管和整个喷水推进系统,以下将定量和定性分析从三个方面:外部进气装置特点,出口流量的均匀性,跑的内部流动。一定的规则是发现促进运动员在不同长度的应用。

4.1。外特性分析

图9显示的变化H和系统效率进气流道的长度。H₀和η_s0头部和系统效率的原始计划。从图可以看出,系统的效率不会改变进气导管的长度,和变化范围在0.5%以内,表明整个喷水推进泵装置是小受进气导管长度的影响。喷水推进泵的进气导管的长度变化很大。案例3是最低的,这是减少2.7%,例4是最高的。当进气导管短(方案1、2和3),方案的净头低于4由于穷人进气流道的流动状态;长流道时(方案5和6),净头由于回流也会低。总的来说,跑步者的情况下4的长度是最合适的。

图10显示了进气装置效率与进气导管的长度。η_d0是原始的进气装置效率方案。从图可以看出,进气装置的效率先增加然后减少流道的长度增加。案例6入口流道效率最低,减少了3.1%。虽然渠道短(方案1、2和3),沿着通道的损失低,但流型不好,它消耗了大量的能源,所以渠道效率不高;当通道很长(方案5和6),渠道效率也低,因为增加的损失沿着通道和回流损失。因此,案例4进气装置的效率最高,这与原来的效率是一致的。

4.2。分析流均匀进气装置的出口

图11是一个云图速度分布的入口管和入口管的长度。结果表明,有一个低速区高于泵轴和高速区低于泵轴。随着进气管的长度增加,低速驱动轴上方区域的面积不断减少到几乎为零,和高速区域的面积低于泵轴也减少中间,所以中速分布面积继续增加。这表明随着进气管的长度增加,速度分布接近中间值,移动速度梯度减小,整个水域的速度均匀性增加。

图12图展现出涡度的变化在出口处的进气导管与进气导管的长度。图中显示,当进气导管的长度很短,泵轴下的涡量分布在该地区两边是对称的。有一个负面漩涡泵轴的左上角的区域。随着进气导管的长度增加,负涡区域逐渐减少,涡的绝对值减小,表明涡的强度随进气导管长度的增加而减小。积极的涡流分布在机身右侧上方的泵轴。接近上面,涡强度越大。特别是,右上角的涡流强度情况下4大幅增加,但总体趋势是涡值随进气导管的长度的增加。综上所述,出口截面的涡强度的进气装置随进气导管的长度。

表3展示了速度分布均匀性V_u和加权平均角θ进气装置的出口部分改变进气导管长度。从表中可以看出,速度分布的均匀性是最大的,当进气导管的长度是1.2l,达到65.66%,速度分布的均匀性是最小的,当进气导管的长度是0.4l,表明适当的延长进气导管长度可以提高速度分布的均匀度,但加权平均角几乎没有影响进气导管的长度。

4.3。分析进气装置的流动特性

图13是一个静态的压力的简化图部分进气导管不同进气导管长度。图显示,随着进气导管的长度的增加,边坡表面的静压,进气装置的进气弯头,唇角落显著变化。具体来说,高压区域在拐角处的唇逐渐降低,坡面上的静压力和进气弯头不会改变太多。

进气导管内的漩涡出现在进气装置上方的区域靠近驱动轴,这表明,该驱动轴阻碍水的流动。案例4后,涡流区明显举措进水口的方向流的通道和驱动轴附近的叶子。这表明当进气导管长度的增加在一定程度上,因为返回面积逐渐增加,很难推进泵设备相同的速度驱动水流入口流道进入泵体,所以第四个选项是最好的。

4.4。推力特性

图14显示了推力的变化规律以及倾斜的直管部分的扩展进气导管。F_t0原计划的推力。的扩展进气装置,整个装置的推力先增加然后减少。第四个方案的主旨是峰值。当水进气道缩短或延长0.2倍,0.2倍推力下降了2.0%,表明一定长度的进气道有利于推进船的喷水推进泵设备。推力取决于出口速度。当流道短(方案1、2和3),叶轮室的入口速度降低由于涡和其他不良流模式,所以短流道的出口速度较小的相同速度下叶轮;长流道时(方案5和6),一路上损失的增加和回流现象的出现也会导致叶轮室的入口速度的降低。在本文中,推力达到最高的4。

5。结论

通过数值模拟和实验验证,变化的影响在进气导管的长度本身和整个喷水推进系统进行了研究。研究结论如下:(1)随着进气导管的长度增加,头和进气装置效率先增加然后减少。当l= 1.12D,他们达到了峰值。(2)延长进气导管的长度有利于提高涡流条件的一致性,提高管道的水流。(3)推力先增加,然后随着进气导管的长度增加。当l= 1.12D,他们到达了最高的推力值。

综上所述,在六个计划研究在这篇文章中,计划四个综合性能最高,倾向于直管部分的长度l= 1.12D。

数据可用性

曲线数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。