影响外部喷射水力性能和流场特征的喷水推进泵设备

文摘

喷水推进技术在船舶领域广阔的应用前景,和水射流技术是一种高新技术的蓬勃发展,具有广泛的应用。然而,有一些研究外部喷射的影响在喷水推进泵的性能,迫切需要开展本研究。在本文中,标准k- - - - - -ε湍流模型是用来进行外部的影响的数值模拟研究射流的水力性能和流场特征喷水推进泵设备。论述了计算模型的选择、网格的划分和湍流模型的设定,并深入分析的计算结果。研究结果表明,当高速水射流进入水体,会引起湍流运动。与射流的增加,湍流现象将会得到改善。喷嘴的出口部分的平均速度与总压强的变化是一致的。平均涡逐渐减小,湍流动能变化小,湍流耗散先增加然后减少,喷嘴轴向力的变化越来越多。设备的轴向力和推力显然会增加两个水流合并和喷雾时,他们将会增加射流流量的增加。揭示了影响机制的外部喷水推进泵设备上飞机,它可以进一步优化提供了理论依据和指导方向液压整个设备的性能。

1。介绍

由于喷水推进技术的优越性,更高速渡轮,商船、军舰使用喷水推进泵设备。国内外学者也进行了大量的实验研究和数值模拟研究了喷水推进泵设备,这使得喷水推进技术突破发展在最近几十年1- - - - - -3]。CFD技术的迅速发展,数值模拟已成为一个重要的研究方法,已广泛应用于不同的研究方向4- - - - - -7]。

水射流技术是一个正在迅速崛起的新技术,它有一个喷水推进器的应用前景广阔。Zhang et al。8)回顾了当前水下气液两相的两个主要应用推进technology-gas-liquid两阶段冲压喷气和泡沫加力燃烧室喷水推进发动机理论和实验研究,并指出其主要的发展趋势。孟et al。9使用流体力学(CFD)技术研究了流场结构进化和混合喷射混合设备的效率,分析了影响射流混合效率的参数,并总结了不同研究者提出的混合时间相关性。Yu et al。10)建立了两种模型的比较分析和研究喷水推进器的推力和没有压力室使用仿真分析方法和实验验证的方法。压力室的大小已经得出结论的喷水推进器的推力的影响。吴et al。11)进行了详细的实验测量三维流结构和湍流的提示区域水射流轴流式泵和运行方法和LES方法相结合进行CFD数值计算。焦et al。12)进行了水力优化设计和性能研究喷水推进泵的流道。Kinnas和李13)内部开发的船舶CFD程序使用CFD SHIP-IOWA流体动力学进行深入研究和推进喷水推进船系统的性能和使用重叠网格技术实现船舶纵向运动中导航。王等人。14,15)提出了一个泵的优化设计方法。他等。16和Zhang et al。17)研究了泵的数值计算方法,给出了相应的实验结果。王等人。18- - - - - -20.)通过数值计算研究了泵性能影响因素。周et al。21,22)使用计算流体动力学方法分析了水流泵的特性。段et al。23)进行了数值模拟研究,预测在喷水推进泵的空化特性。金(24)进行三维设计和数值实验喷水推进泵。王等人。25)撞击水射流进行了数值模拟研究,通过选择湍流模型。Chang和王26]K-flow湍流模型用来预测水飞机的推进性能。夏et al。27]研究了旋转失速的水力特性的喷水推进系统,并提出了相应的抑制措施。

目前,有一些研究高速水射流进入国内外水体移动,和理解外部的影响射流泵的性能不是很清楚。因此,有必要进行深入研究喷水推进泵的性能与外部喷射装置。本文是基于标准的k- - - - - -ε湍流模型的流场进行了数值模拟的喷水推进泵设备与外部喷射和使用速度,总压强,涡度、湍流动能云映像,和其他字段信息数据流喷嘴出口截面和纵向截面喷嘴的部分。通过直观的观察的内部流动特性的喷嘴部分推进泵,本文揭示了外部喷射的影响机理,为进一步优化提供了理论依据和指导方向液压整个设备的性能。

2。喷水推进泵模型和数值模拟方法

2.1。几何模型和计算域

本文选择某种类型的喷水推进泵装置为研究对象。喷水推进泵装置主要由一个进水口渠道,推进泵、喷嘴和换向装置。水进气道的主要组件之一的喷水推进装置,它的功能是将水从船的底部推进泵。推进泵喷水推进系统的核心组件。在这篇文章中使用的混流泵类型由四部分组成:叶轮(6块),导叶体(7件),进口部分,出口部分。主要分为两个部分:进气通道和推进泵。为了研究外部的影响飞机性能的喷水推进泵设备,稍微修改了原来的选择模型。介绍了喷气管从小型辅助泵通过任何导叶(根据需要可以选择多个导叶片)进叶轮体,通过导水锥喷射客机。射流和原始水流喷射,合并和原理图的喷水推进泵装置的三维模型与射流图所示1。(1)图1仅仅是一个原理图模型的额外的喷射装置。特定的辅助泵可以根据实际情况调整布局。本文的重点不是学习额外的喷射装置,但这项研究基于设备的创新。研究高速水射流的现象进入水体。(2)这个额外的飞机设备的想法来解决这个问题,这艘船需要增加时的瞬时推力船体空间是有限的。因此,当空间大小是有限的,不能安排两个单位,考虑使用这些额外的喷射装置可以提高推力,提高航行速度。

受船体边界层的影响,来流速度、压力、水流进入进气通道参差不齐。因此,当选择计算流体区域,流体入口附近区域的入口通道底部的船也应包括在内。因此,计算区域包括三个部分:推进泵入口通道,和船体区域,如图2(一个)。取一个圆形截面的叶轮和导水锥的定义它的出口额外的飞机,如图2 (b)和2 (c)。

2.2。网格生成

网格的质量是非常重要的数值模拟结果喷水推进泵设备。摘要ICEM CFD软件用于整个计算域划分为一个结构化的网格。水进气道,船的底部区域,叶轮,导叶,和喷嘴都是六面体的结构化网格,如图3。上述网格后分成块,每一块输出作为排名文件,和每个部分合并只预处理,和边界条件设置,最后计算面积和解决方案。

2.3。湍流模型和边界条件

在本文中,标准k- - - - - -ε湍流模型用于解决复杂流场的喷水推进泵设备与外部的喷气机。其中,进口设备的模型设置为速度入口,这是最初设置为10 m / s;出口平均静压出口;设置参考压强为1 atm;设置组件之间的接口传递的值;设置实体墙中性边界条件,并使用标准的函数来处理。速度是最初设置为700 r / min,和计算剩余控制值设置为10⁻⁵。

2.4。网格独立性分析叶轮域

理论上,在模型中网格的数量越多,越小的解决方案错误造成的电网(28]。然而,随着网格数量的增加,要求电脑配置也增加,计算速度也会减慢。因此,确保解决方案的准确性的基础上,在一定范围内,网格的数量不能太大。出于这个原因,选择6套网格对网格独立性分析,和6套网格选择如表所示1。

取头系数H和效率η喷水推进泵的部分作为主要评价指标。与网格的数量逐渐增加,头的变化和推进泵效率部分数值模拟获得的逐渐减少,尤其是第五套网格之间的相对误差和第六组网格几乎没有变化,如图4。

2.5。研究计划

假设的圆形横截面积在水射流出口导向锥喷嘴出口的横截面积的30.77%(即。,for the water jet propulsion pump device model selected in this article, the diameter of the circular cross-sectional jet outlet is 40 mm), which can be defined by the velocity of the jet outlet changing the flow rate of the external jet, and the effects of different external jet flow rates on the hydraulic performance and flow field characteristics of the water jet propulsion pump device at different speeds are studied, as shown in Table2。

3所示。计算结果的分析和讨论

3.1。水力性能分析

因为数值模拟的结果可能无法模拟实际情况,有必要通过实验验证数值模拟结果的可靠性验证。然而,很难验证这个额外的新型喷气装置。因此,本文选择的模型飞机前的喷水推进泵设备被添加到进行实验研究来验证此模型的数值模拟的可靠性,并间接验证该模型的可靠性。间接验证数值模拟的可靠性,额外的飞机模型作了一些修改在这个模型。选择不同的流动条件计算,得到最优条件下流量和效率。为了比较不同工作条件下的计算结果更加方便和直观的,流,效率,和最佳效率点作为基准,效率,主管和其他流点规范化维度。根据文献的实验数据,结合数值模拟结果数据,图5是获得。从数据可以看出5(一个)和5 (b)数值模拟结果与实验结果有很好的一致性,所以上面的简化模型可以用于进一步的分析和研究。图中,最好的工作条件cep(推进泵的最佳效率点)指的是工作条件对应于最高效率点。问代表了流量,问_cep对应的流量最高效率点,η代表效率,η_cep对应的效率最高效率点,H代表头部,H_cep代表了最高效率点相对应的负责人。

图6显示之间的关系推进泵部分和外部流量的喷气速度不同。观察图6,我们可以发现,随着射流的增加,推进泵部分的逐渐增加,和的变化率变大。在同样的射流,推进泵部分速度增加而增加。在图中,问_j/问_O代表流量的比值在坐标点的流z坐标0,H_j/H_O代表的比例头部在坐标点负责人z坐标为0。V_年代船的速度。

图7展示了速度变化曲线的中心轴喷嘴部分在不同的喷射速度。观察曲线,我们可以看到,随着射流流量的增加,相对速度的变化范围从飞机出口截面的中心的中心喷嘴出口截面也增加。在同一点的相对速度增加而增加射流。在图中,z代表了z上每个点的坐标值喷嘴的中心轴部分,和Vz /Vo代表了这一点的轴向速度比这一点的轴向速度在最初的装置,也称为相对速度。V_j代表了喷射速度。

3.2。内部流场特征的分析

图8是一个图显示平均速度和总压强变化的喷嘴在不同射流速率。从图可以清楚地看到,随着喷气流量的增加,喷嘴出口截面的平均速度的增加,和变化的范围变得越来越大。总压强的变化规律喷嘴部分与平均速度的变化规律是一致的。图9是一个云图的喷嘴的轴向速度分布,图吗9(a)是一个云图喷嘴的轴向速度分布的原始设备,和数字9(b) -9(f)的云图喷嘴轴向速度分布的设备时,喷射速度是0 m / s, 4米/秒,8米/秒,12米/秒,16米/秒。观察云的图像,可以发现中央的低速区域图9(一)有点比图9(a)。原因是原输水锥已经改变了它的形状和不能扮演的输水的角色,所以水流速度会有所损失。喷嘴的轴向速度分布均匀性的人物9(c)是相对一致的。原因是飞机4 m / s的速度只是接近水附近的速度引导锥。飞机合并时,喷嘴的轴向速度分布更均匀。高速区出现在图的中心9(d),图9(e)和图9(f)。原因是它受到外部喷射的影响,以及喷射速度的增加,高速区也增加的速度,高速区范围约等于飞机出口地区。在图中,代表喷射速度的大小和它的单位是米/秒。

图10是纵向的速度分布云图部分泵的部分,图吗10(一)纵向截面的速度分布云图原泵的部分,和数字10(b) -10(f)的垂直截面速度分布云图的泵部分设备喷射速度是0 m / s时,4米/秒,8米/秒,12米/秒,16米/秒。观察云的照片,我们可以发现随着射流的增加,导叶体的速度退出部分变得越来越大,表明本节中的水速度明显受到外部喷射的影响。

图11是一个出口在不同射流速度的简化图,图吗(11日)时飞机退出前的流线喷气速度是0 m / s, 4米/秒,8米/秒,12米/秒,16米/秒。观察数据(11日)- - - - - -11 (e),可以看出,当射流速度是0 m / s,水的流动状态的飞机出口湍流和螺旋。随着喷射速度的增加,螺旋现象逐渐消失。飞机速度是16米/秒,和外部喷射基本上是水平和直。此外,从数据可以看出(11日)来11 (e)水射流喷口速度的部分逐渐增加,但增加不大,相对均匀。原因是两个流的速度增加收敛后的两个流。

3.3。艾迪动态分析

为了研究旋涡的运动在喷水推进泵装置在不同射流速度,湍流动能方程和湍流耗散率的输运方程被用来进行深入研究和分析的内部涡流喷水推进泵与射流装置。在标准k- - - - - -ε模型、湍流动能的传输方程k和湍流能量耗散ε如下: 在哪里问_k是一代的湍流动能;μ_t是湍流的粘度;k是湍流动能,它指的是数量的速度变化量的波动,在米²/秒²;ε湍流能量耗散,这指的是速度的耗散率的波动,和它的单位是米吗²/秒³;和持续C₁= 1.44,C₂= 1.92,σ_k= 1.0,σ_ε= 1.0。

3.3.1。涡度分析

涡度是最重要的物理量之一描述涡的运动。它被定义为流体速度矢量的旋度。涡度的单位为1秒(s⁻¹)。涡通常使用涡度来衡量它的强度和方向。液中,只要有一个“涡源,不同大小的漩涡将生产。因此,积极或消极的涡度值代表不同的旋涡旋转方向,和涡度的绝对值表示涡出现的概率。

图12显示的平均涡度和最大涡度变化在不同射流喷嘴。其中,随着射流的增加,的平均涡流喷嘴的绝对值逐渐减少,表明涡发生的概率在喷嘴部分逐渐减少。这是因为高速射流影响最初的水流移动,这样可以减少它在某种程度上。涡的生成是在喷嘴部分。的绝对值最大涡度总体上展示了一个逐渐增加的趋势。从图可以看出,最大涡度变化时的相对流量射流在0.04和0.10之间。

喷嘴出口截面的涡量分布云图在不同射流速度图所示13。额外的喷气流量= 0时,大量积极的漩涡出现在喷嘴出口截面的中心区域,和周围的蓝色区域显示在图出现漩涡的方向是相反的中央区域。喷射流的增加,涡流在中央喷嘴出口截面的面积逐渐减少,表明射流时的涡流现象不明显很大。

涡分布的云图在不同射流喷嘴部分的纵切面率如图14。可以发现,随着射流流量的增加,生成的漩涡水流在水导锥逐渐减少和改变方向。由于外部喷射的影响,一些大的漩涡出现在飞机退出路径,而这些漩涡逐渐减少与增加射流。

3.3.2。湍流动能分析

湍流动能是1/2湍流速度波动方差和液体产品的质量。动荡总动能随时间的变化反映了湍流能量和的净收入和支出是一个指标来衡量湍流的开发或下降。湍流扩散的方差分量湍流能量成正比,这是一个重要的指标来衡量湍流混合能力。湍流能量是由k。湍流能量耗散率指的是速率湍流能量转换为动能的分子热运动的作用下分子的粘度。通常是衡量湍流能量损失每单位质量流体在一个单位时间,所表达的ε。湍流速度在空间随机波动,从而形成一个明显的速度梯度。在分子粘性力的作用下,湍流能量不断转化为分子运动的动能通过内部摩擦:

的公式,u平均速度,我湍流强度,C你通常是0.09。

图15图表显示改变湍流动能和湍流能量耗散的喷嘴在不同射流率。从图可以看出,随着射流的增加,湍流动能不会改变,表明流动状态是相对稳定的。喷嘴部分的湍流能量耗散值先增加然后减少,表明下的湍流能量耗散快高速喷射。

湍动能的分布在喷嘴出口截面图16显示如下:(1)在没有飞机,湍动能的分布与原始设备的分布趋势是一致的。较大的湍流动能出现在喷嘴的中心部分和移动环境。减少在蜗壳的形状,这主要是由于碰撞的水流在水导锥在流体的运动,有一个大的能量损失。(2)外部喷射操作时,几乎没有产生湍流动能喷嘴的中心部分。随着外部喷射流的增加,湍流动能明显开始出现围绕中心,这主要是当外部喷射合并与原来的水流,水流的损失造成的。

湍流动能分布的云图在不同射流喷嘴部分的纵切面率如图17。喷射流量的增加,射流喷口水在前面的损失部分减少,湍流动能降低,飞机下的湍流动能大于飞机之上。这是因为喷射水流的严重性引起喷射和原始之间的碰撞和影响水流更严重,和水力损失更大。

3.4。力学特性分析

图18是一个图显示的增长率的变化在不同射流喷嘴轴向力。从图可以清楚地看到,当射流速度小,轴向力变化速率并不大,但随着喷气流量的增加,轴向力增长大幅加息,轴向力的变化越来越多。在方案研究,喷嘴轴向力的最大变化率达到9.2%。由于轴向力是带有大型后处理CFX计算变量,它可以很容易地获得。设备的推力不容易计算,但它有一个与轴向力正相关,所以设备的推力的趋势可以推断。它可以发现外喷射流量越大,越大的推力增加设备,只是验证的事实,额外的飞机设备并增加推力比原始设备,增加船的航行速度。

4所示。结论

基于标准的k- - - - - -ε湍流模型,水力性能、流场特性、涡度特性和力学性能的喷水推进泵设备与外部飞机在不同射流率和速度进行了数值计算和分析。结论如下:(1)数值计算efficiency-flow曲线和head-flow曲线与实验测试结果吻合较好,在文献中。(2)与喷射流量的增加,喷嘴出口截面的平均速度的增加,和变化的范围变得越来越大。总压强的变化规律喷嘴部分与平均速度的变化规律是一致的。(3)当外部射流的流量小,水的流动状态的喷管出口湍流和螺旋。与外部喷射流的增加,螺旋现象逐渐消失。当外部喷射流大于某一值,添加外部喷射。该项目基本上是水平和直。(4)随着射流的增加,的平均涡流喷嘴的绝对值逐渐减少,表明涡发生的概率在喷嘴部分逐渐减少。这是因为高速射流影响最初的水流移动,这减少了一代的漩涡在喷嘴部分在某种程度上。的绝对值最大涡度总体上展示了一个逐渐增加的趋势。当飞机的相对流量在0.04和0.10之间,最大涡度不会改变太多。(5)当没有飞机补充道,湍动能的分布是一致的与原始设备。较大的湍流动能出现在喷嘴的中心部分,减少形状的螺旋。这主要是由于流体在运动的指导。水流碰撞发生在水锥,有一个大的能量损失。与喷射流量的增加,湍流动能不会改变,表明流动模式是相对稳定的。喷嘴部分的湍流能量耗散值先增加然后减少,表明下的湍流能量耗散快高速喷射。(6)当喷射流量小,轴向力变化率不大,但随着喷气流量的增加,轴向力增长大幅加息,轴向力的变化越来越多。方案研究,喷嘴轴线方向力的最大变化率达到9.2%。和外部喷射流量越大,越大增加推力的装置。

总之,当一个高速水射流注入水体移动,它会导致运动水体动荡。喷射流量的增加,湍流现象将会得到改善。设备的轴向力和推力显然会增加两个水流合并和喷雾时,他们将会增加射流流量的增加。由于我水平有限,研究领域的这些额外的飞机不是很透彻,但我希望吸引更多学者的关注,以便进一步研究这个高速喷气和运动之间的相互作用机理。尤其是对整个装置的推力性能的研究,仍有需要进一步突破。

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。

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