喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析

【摘要】： 喷水推进系统要做到高速化、小型化并有较高的推进效率,要求喷水推进泵的流量系数大、空化性能好、效率高,因此,喷水推进泵的设计难度高。国内喷水推进轴流泵的设计长期采用一维理论,设计质量严重依赖设计人员的经验和水力模型试验优选,设计周期长、成本高。采用面元法和CFD技术,开展轴流泵设计理论研究,可进一步提高轴流泵设计的质量和准确性,降低新型轴流泵水力模型的开发成本。 通过理论计算和试验结果对照,分析了泵与泵装置(泵、进水管道和喷嘴的组合)水力性能之间的关系,发现泵装置性能高效区的扬程和泵性能高效区的扬程基本持平,因此提出采用等扬程、加大流量的方法来确定泵的设计参数。采用径向平衡方程分析轴流泵的轴面流动,在面元法分析的基础上实现叶轮叶片的造型。对设计叶轮进行的CFD分析和模型试验表明,设计点准确、效率高,能有效控制叶片的负荷分布,保证泵的空化性能。探讨了轴流泵内部流动三维紊流分析所适用的紊流模型、边界条件和网格剖分。研究了叶轮主要的几何参数对叶轮性能的影响,发现叶轮轮毂比和叶栅稠密度对扬程—流量曲线的斜率和高效区分布比较敏感。针对不同流量工况设计的后导叶,通过CFD分析和试验证明,能对泵的高效区分布产生明显的影响。考虑船舶工况的变化,初步研究了喷水推进轴流泵多工况、多目标和多约束的优化设计方法及其在iSIGHT软件平台上的实现过程。采用PIV测量了叶轮出口的轴面流场,