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原文传递基于Lighthill声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值模拟研究

论文题名：	基于Lighthill声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值模拟研究
关键词：	船舶喷水推进泵;不稳定流动噪声;流场特性;声场特性;数值模拟;声类比理论
摘要：	自二十一世纪以来，喷水推进泵的研究引起了学者们的广泛关注，并且在最近十年取得的研究成果是十分丰富的。喷水推进泵作为一种新型的动力推进装置，广泛应用于各种高速行驶的船舶、海陆两栖以及一些常年需要在浅水区域作业的载具上。喷水推进泵得到广泛应用与其特性和优势密切相关。与传统船用的转桨式推进相比，喷水推进泵具有更高的航速，并且在高速航行下具有更高的效率。转桨式推进通常会遇到严重的气蚀问题，喷水推进泵抗气蚀与空化的性能有很大的提升；并且其转弯半径更小，机动性好，吃水深度相比转桨式更浅，行进中受到的阻力更小，对不断变化的运行工况适应性也更好。喷水推进泵在国内得到了广泛的推广与应用，但扔存在一些问题亟待解决。喷水推进泵多为混流或轴流泵，因此不可避免的会遇到此类泵运转中常见的问题。例如在舰船行驶过程中，随着航行状态的变化，如斜航，倒航时，流量在不断变化，流量扬程曲线在小流量运行区间中存在明显的马鞍区，这是混流泵在运转中经常遇到的问题。在小流量运行时，泵内部不稳定流动加剧，产生不规律的压力脉动，从而引发泵体产生异常的激振与高强度的噪声辐射，影响喷水推进泵的运转性能，降低运行效率，同时也会导致外部结构的破坏，对环境产生噪声污染，不利于人们的健康。因此，针对以上问题，对混流式喷水推进泵进行内部流场分析以及声场分析，为舰船喷水推进泵的低振低噪设计和运行提供了理论基础。　　本文在国家自然科学基金项目(51776087)资助下，以Wartsila公司生产的混流式喷水推进泵为模型，建立了三维模型以及数值计算模型，对于内部流场以及声场进行了一系列的相关研究，完成的主要工作及创新点如下：　　(1)采用SST湍流模型对喷水推进泵进行数值模拟，得出流量-扬程曲线。并与试验所得外特性数值进行对比验证，数值模拟结果与试验曲线吻合较好，验证数值模拟模型的准确性。　　(2)针对1.0Q，0.75Q与0.55Q三种流量工况下的喷水推进泵进行非定常计算，并在不同径向截面设置监测点进行压力脉动分析。模拟结果表明：额定工况下，压力脉动的幅值从轮毂到轮缘逐渐增加，在叶轮进口面处的主频为叶频90Hz，表明在该处的压力脉动是由于叶轮的周期性旋转而产生的。随着监测点向出口转移，压力脉动幅值有所下降，低频脉动开始增加，但主频依然是叶频。在导叶内，主频为叶频，但低频脉动明显存在，压力脉动幅值和叶轮内相比有所下降，十分不规律，充满着随机脉动，这是由于导叶的整流作用所引起的。随着流量工况的降低，内部流动状态逐渐下降，由不稳定流动产生的压力脉动大于额定工况下的脉动幅值，并且很多监测面上的主频已经从叶频90Hz转变为低频段的轴频15Hz附近。　　(3)针对低频范围内出现的异常压力脉动幅值，对不同时刻下的非定常计算结果文件进行分析。结果表明：额定工况下可在叶轮内部观察到明显的主泄漏涡与次泄漏涡，内部流动十分规律；随着流量降低，叶轮内部涡团明显增多，阻碍正常流动，泄漏流与吸力面流动分离现象十分明显。在0.55Q工况下，叶轮与导叶交接面处的涡不断重复着由溃灭到初生再到发展的过程，这一过程所需的时间约为叶轮转动一周的时间，频率为15Hz，揭示了低流量工况下低频范围内压力脉动幅值升高的原因。　　(4)基于Lighthill声类比理论，采用BEM法针对均匀入流下喷水推进泵进行内声场模拟分析,模态分析及外声场声振耦合分析。模拟结果表明：三种工况均在叶频（90Hz）处出现声功率的最高值，叶频的倍频处也出现明显的峰值，且随着频率的升高，声功率强度逐渐下降。1.0Q工况的声功率强度在三种工况里最小，0.75Q与0.55Q工况下声功率强度的峰值非常接近，但其余频率下0.55Q工况的声功率强度要强于0.75Q工况。对叶频及其倍频处叶轮圆周面上的声压级云图分析可知，1.0Q工况的声压级水平最低，0.55Q工况下声压级水平最高，与压力脉动结论相符。由此可以推测声功率水平与声压级水平和内部流动状态密切相关，当不稳定流动增加时，其诱导的噪声水平随之升高。　　(5)基于均匀入流的喷水推进泵，建立非均匀入流下的喷水推进泵模型，进行内部流动模拟计算，与均匀入流下的喷水推进泵进行对比分析。模拟结果表明：在相同的流量工况下，非均匀入流的压力脉动幅值略高于均匀入流下的压力脉动幅值，但二者的变化趋势相同。通过额定工况下叶轮内部的压力云图对比可知，均匀入流下叶轮进口处压力呈现规律的环形分布；而非均匀入流时叶轮进口处的压力从下至上逐渐增大，层层分布。随着流量的减小，非均匀入流下进口管内部也出现明显的不规律分布，导致不稳定流动的发生。　　(6)基于Lighthill声类比理论，针对非均匀入流下的喷水推进泵进行内声场模拟计算，并同均匀入流下的喷水推进泵内声场声功率水平进行对比分析。通过对比分析可知：在非均匀入流时叶轮与导叶内声场呈现出与均匀入流时相似的规律，但整体声功率水平都略高于均匀入流时的情况，推测是由于非均匀入流时进口管内的流动更加不稳定所导致的。
作者：	张乃舒
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	张德胜
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