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原文传递来流含气条件下船用喷水推进器内部流动特性研究

论文题名：	来流含气条件下船用喷水推进器内部流动特性研究
关键词：	喷水推进器;气液两相流;进口含气率;气泡直径;压力脉动
摘要：	喷水推进器具备抗空化能力强，运行噪声低，操纵和机动性能好，主机不易过载等优势，逐渐替代螺旋桨为各类高性能船舶在多变工况下运行时提供推进动力。受船体波动、海面风浪等复杂环境因素以及高性能船舶吃水过浅的影响，喷水推进器常从进水流道进口处吸入空气，极易造成喷水推进器性能下降，诱发推力不足，威胁海上船舶航行安全。　　本文在国家自然科学基金项目“空化和自由表面吸气条件下喷水推进器内和环境气液两相非定常流动及推力特性研究（No.51879120）”的资助下，以轴流式喷水推进器为研究对象，对喷水推进器在不同航速下输送纯水介质及不同气相参数的气液两相介质下的流动特性及来流含气下的空化流动特性展开数值模拟，主要研究内容和成果如下：　　1、建立喷水推进器全流场单相流数值计算模型，同时开展喷水推进器静水推力性能试验，发现在设计转速时，试验推力值与模拟推力值吻合度较高，证明了喷水推进器仿真模型的准确性，重点研究了变航速工况对喷水推进器单相流能量性能及流动特性的影响，为后续气液两相流计算提供支持，结论如下：（1）随着航速提升，喷水推进器流量逐渐增加，推力、扬程逐渐减小，效率呈现先增大后减小趋势。各航速下叶轮进流面压力、速度分布极不均匀，随着航速增加，进流面高、低压区分布发生明显变化，同时伴有不对称旋涡产生。（2）受进水流道几何结构及航速变化影响，进水流道纵向中剖面高、低压区分布十分明显，压力梯度变化较大，同时在进水流道内部易产生大量旋涡。（3）随叶轮旋转，叶轮叶片湍动能变化较明显，进水流道纵向中剖面旋涡分布未发生明显变化。　　2、采用欧拉-欧拉非均相流模型，基于CFX2019R3软件BCprofile功能将单相流下进水流道进口压力场和速度场数据导出，将之导入喷水推进器气液两相流求解模型中，并在模拟中添加气体相，设置不同进口含气率和气泡直径，研究喷水推进器气液两相流能量性能及流动特性，同时与部分单相流结果比较，结论如下：（1）气体的存在会导致喷水推进器推力、扬程、轴功率和效率均下降，降幅与进口含气率及气泡直径有关。（2）与纯水流动时叶片两侧压力载荷对比，发现在高航速下叶片两侧压力载荷受气体影响程度大于低航速；不同航速下，吸力面上的气相体积分数明显大于压力面；在叶轮轴向中截面上，气、液两相速度从轮毂至轮缘逐渐增加，受航速变化的影响，中截面上各流道内存在流动分离现象，各航速下气液两相流场中流动分离程度大于纯水流动，同时随航速增加，流动分离程度加剧。（3）随进口含气率升高，叶片两侧压差逐渐减小；吸力面上气相体积分数和气相速度波动幅度大于压力面；叶轮轴向中截面上流动分离程度逐渐加剧，在含气率高于15%时，流动分离程度受进口含气率的影响不明显。（4）随气泡直径增大，叶片两侧压差逐渐减小，叶片做功能力减弱；气体在叶片表面堆积程度增强，压力面上气体向叶片出口边迁移；叶轮轴向中截面上流动分离程度增强，叶轮流场流动越不稳定。（5）低航速时，进水流道内部气体主要堆积在流道下侧弯管处，高航速时主要堆积在流道斜坡及驱动轴上侧弯管附近，进水流道内部流动不均匀度与航速、进口含气率及气泡直径呈正相关性，同时在不同气相参数下，进水流道出口流动不均匀度小于流道进口。　　3、通过瞬态数值计算，研究了不同航速和不同气相参数与叶轮进、出流面上压力脉动及叶轮径向力之间的关联，结论如下：（1）在单相流与气液两相流下，航速对叶轮进、出流面上的脉动时域与频域影响规律较为相似。（2）随进口含气率升高，进流面各监测点时域曲线振荡频率加快，轮毂监测点振荡幅度减小，主频幅值先增大后减小；中间监测点振荡幅度和主频幅值先增大后减小，轮缘处监测点振荡幅度和主频幅值减小。出流面各监测点时域曲线波动规律性削弱，主频幅值均减小。（3）随气泡直径增大，进流面各监测点时域曲线振荡频率未发生明显改变，但振荡幅值明显增大，进流面轮毂与中间位置处监测点主频幅值先增大后减小，轮缘处监测点主频幅值变化规律相反；出流面各监测点时域曲线变化规律与进流面一致，但主频幅值变化规律各不相同。（4）相同航速下两相流叶轮径向力较纯水时增加，同时随着航速升高、进口含气率及气泡直径增大，径向力增大，径向力脉动曲线振荡频率加快，振荡幅度增加。　　4、采用ZGB空化模型，研究不同航速下喷水推进器纯水空化流场和来流含气对喷水推进器空化流动特性的影响规律，结论如下：（1）纯水空化时，随着进速比IVR增加，即航速增加，喷水推进器空化数增大，流场压力增加，说明发生空化可能性降低，即航速越高，喷水推进器抗空化能力越强。（2）来流含气空化时，随进口含气率升高，喷水推进器空化数增大，流场压力增加，说明进口含气率增加在一定程度上有助于增强喷水推进器抗空化性能；叶轮各流道进流面周向压力分布不均匀性减弱，叶轮内空泡体积分数减小，同时压力波动峰值和振荡频率均小于纯水空化流场，气体的加入有助于减缓空化流动不稳定性。
作者：	刘月伟
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：	2021