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喷水推进器内部流动及空化特性研究
| 论文题名： | 喷水推进器内部流动及空化特性研究 |
| 关键词： | 船舶喷水推进器;内部流动;空化特性;喷口形状;数值计算 |
| 摘要： | 喷水推进器因其传动机构简单、工作转速高、抗空化能力强等优点，正逐渐代替传统螺旋桨被应用于高性能船舶。然而，在船舶启航、加速、转向等过程中，喷水推进器极易在空化工况下运行，产生于叶片表面的空泡严重阻塞流道，导致其运行效率下降。目前，高功率密度已成为喷水推进器的一个发展方向，国内外学者以此为目标进行研究，但喷水推进器叶轮高转速运行时极易空化，空化的发生会对过流部件产生破坏、加剧振动和噪声、降低推进器性能等。 本文依托国家自然科学基金项目（No.51879120），采用数值计算的方法，对喷水推进器叶轮高转数运行引起的内部空化流动特性以及不同形状喷口对喷水推进器性能的影响进行了分析。主要的研究工作和成果如下： (1)以轴流式喷水推进器为研究对象，对其进行三维建模、结构网格划分及网格无关性验证。基于CFD软件对不同转速下喷水推进器进行定常数值计算，并将模拟得出的推力大小及变化情况与试验进行对比，发现两者基本吻合，说明数值模拟具有较好的准确性与可靠性。 (2)通过对喷水推进器在不同转速下的数值计算发现，喷水推进器叶轮高转速运行时会发生空化。空化首先发生在靠近叶片进口边吸力面侧叶顶附近，且随着转速增加，空化区域向叶片出口以及相邻叶片间延伸；由于进水流道的存在，叶轮进口来流不均匀，叶片表面空泡分布并不完全一致。叶顶间隙处，叶顶泄漏最严重的地方在叶片轮缘距进口边约15%处，同时受叶轮空化影响，在叶片吸力面空化尾迹区轮缘流面的泄漏量出现激增现象。 (3)为研究喷水推进器瞬态空化流场，对喷水推进器在不同空化条件下进行非定常计算。研究发现，喷水推进器在设计转速下流场内多数空泡稳定附着于叶轮进口边区域并在空泡尾部区域伴随小尺度空泡的周期性生长与溃灭，叶轮流道内空泡总体积分数呈周期性变化。喷水推进器叶轮进口压力脉动主要受流道弯管和轴引起的扰流影响；叶轮轮缘处和叶轮与导叶之间，压力脉动受叶轮、导叶以及流道弯管和轴引起的扰流的共同影响，其中流道弯管和轴引起的扰流影响占主导地位；喷口处压力脉动只受叶轮影响。叶轮径向受力的频率主要受流道弯管和轴引起的扰流影响，同时主频幅值受转速及空化条件的影响呈现先增大后减小的趋势。 (4)对三种不同形状喷口的喷水推进器进行定常数值模拟，并将其内部速度、压力、湍动能以及涡核分布进行对比分析。结果表明：设计转速时，直线型和双扭曲线型喷口均可选用，但直线型喷口计算参数相对较好；高转速时，直线型喷口对喷水推进器更为适用，其喷水推进效能最高。 |
| 作者： | 宗平 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 潘中永 |
| 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 |
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