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原文传递混流式喷水推进泵流动失稳机制研究

论文题名：	混流式喷水推进泵流动失稳机制研究
关键词：	船舶混流式喷水推进泵;非均匀进流;流动失稳;压力脉动
摘要：	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诱因，并通过物理参数量化评价了各航速下非均匀进流的品质。研究结果表明，在高航速下，斜坡曲率加之驱动轴扰动效应使大量流向涡在进水流道上斜坡处汇聚，进流面流态分布不均匀性较高，扬程损失较大；而在低航速下，船底边界层加之唇部的流动分离效应使得大量涡旋在进水流道底部堆积。不均匀度随着航速的增加而增大，在高航速下进流损失严重，易出现推力不足等现象。　　（2）建立了喷水推进器非均匀进流与失稳流态的匹配关系，分析了叶轮各流道流态分布及叶片载荷的差异性，基于时频分析揭示了泵内失稳流动的瞬态传播特性。研究结果表明，高航速下，进流不均匀度导致叶轮流道呈现明显的不均匀性，进流面高能流体流经过流流道，促进了轮缘区大面积泄漏涡的形成，低能流体流经堵塞流道，在轮毂壁面靠近压力面形成大面积涡旋。随着航速的减小，泵内流态分布不均匀性随着进流面不均匀度的减弱而减弱。基于各航速下非定常压力脉动特性的分析，非均匀进流所诱导的泵内流体激振的频率始终为轴频，随着航速的减小，流道内压力脉动幅度与主频幅值均大幅减弱。由于前置进水流道几何结构限制所形成的非均匀进流是诱发泵内流态分布不均匀及产生流动失稳现象的根本原因。　　（3）基于喷水推进器在机动条件下常处于部分负载工况运行的基础上，研究了喷水推进泵全工况性能、流动形态以及旋转失速特性。研究结果表明，喷水推进泵由于几何结构形式、转速的影响，驼峰区间、失速所诱发的扬程下降幅值进一步拉长，旋转失速效应加剧。依据各类评判指标对驼峰区各工况流动特性进行判别，明确了各工况下所对应的失速状态。通过对失速涡的捕捉，发现其紧附在叶片后缘吸力面侧，横跨整个叶轮流道，并有向下游叶片前缘延展趋势。失速状态下的来流在受到失速涡的卷吸效应及堵塞作用下，流动路径会呈现多次偏折，部分来流在失速涡堵塞效应及泄漏流冲击的共同作用下，最终流向下游流道，另一部分则回流至进流直管。伴随着旋转失速发生，喷水推进泵进口回流量激增，流动损失急剧增大，又进一步恶化了推进水泵的进流流态。由旋转失速所引起的泵内逆流是失速工况下喷水推进泵能量耗散、性能下降的主要诱因。　　（4）基于喷水推进装置的实际进流过程，研究了弯管进流方式对喷水推进泵内部流动特性的影响。研究结果表明，大流量工况下，受非均匀进流影响，泵内失稳流动显著增加，扬程损失加剧。小流量工况下，进水流道几何结构扰动效应基本消失，高速逆流占据主要扰动诱因。由于回流面积、回流量减少，弯管进流下泵内流态、扬程均好于直管进流。失速工况下，通过对失速涡的捕捉以及压力脉动特性判别，弯管进流下旋转失速程度、失速涡尺度皆弱于均匀进流。基于小波分析对临界失速工况下失速瞬态传播特性进行解析。直管进流下，喷水推进泵在经历一段时间低频高振幅单失速核的扰动后，将逐渐转捩为高频多失速核的周向扰动，泵内失稳流态进一步加剧。弯管进流下，旋转失速始终保持高振幅低频扰动，呈现出单失速核在流道内周向传播的瞬态特性。
作者：	李恩达
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文