混流式喷水推进系统的数值模拟
摘 要摘 要为了研究喷水推进器的性能，对喷水推进器的流场特性进行仿真模拟，首先通过查阅文献了解了喷水推进器的基本结构特征，了解了喷水推进器的模拟法，并掌握GAMBIT软件和FLUENT软件的基本操作。使用GAMBIT软件建立喷水推进器的网格，并将网格导入到FLUENT软件中进行边界条件设置，最后进行迭代计算。对转速3300rpm，航速是12m/s，14m/s，16m/s，18m/s，20m/s的喷水推进器进行仿真模拟，得到了喷水推进器的流场分布特性，通过分析结果发现，在五个航速下，喷水的速度和压力都比较大，可以获得较高的喷水推进力，给船的航行提供足够的动力。关键词：喷水推进；GAMBIT软件；FLUENT软件；仿真计算；混流式目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的意义和研究背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 本文研究内容 4
第二章 喷水推进技术 5
2.1喷水推进的主要技术发展进程 5
2.2喷水推进的主要优点 5
2.3喷水推进技术的应用前景 6
2.4 混流式喷水推进器结构原理 7
2.5喷水推进的主要实验性能 8
第三章 FLUENT计算理论介绍 11
3.1 FLUENT基本求解方法 11
3.2 湍流流动概述 12
3.3 FLUENT软件介绍 12
第四章 混流式喷水推进建模和边界条件设置 14
4.1 混流式喷水推进建模 14
4.2 模型网格划分 14
4.3 仿真模拟边界条件 17
第五章 FLUENT仿真模拟结果分析 20
5.1 航速为12m/s时结果分析 21
5.2 航速为14m/s时结果分析 23
5.3 航速为16m/s时结果分析 25
5.4 航速为18m/s时结果分析 27
5.5 航速为20m/s时结果分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题的意义和研究背景
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21
5.2 航速为14m/s时结果分析 23
5.3 航速为16m/s时结果分析 25
5.4 航速为18m/s时结果分析 27
5.5 航速为20m/s时结果分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题的意义和研究背景
传统的螺旋桨是利用推进器直接产生推力，喷水推进是与众不同的推进方式，利用特殊的推进装置喷出水流，由其产生的反作用力推动船舶前进。，喷水推进技术研究进展缓慢，主要原因是理论研究不完善，关键性技术没有得到攻关。比如无空泡而且低损失效能的进口管道系统，机、泵、船的高效配合，水动力性能极佳的倒航操纵装置等技术没得到解决，大功能转换能力和高效率的推进泵没有被研发等。喷水推进具有抗空泡性能特别强、推进效率比较高、操纵的性能良好、附体的阻力比传统推进小、运行噪声相对较低和变工况的适用范围比较广等传统常规螺旋桨没有的优点。
为了对喷射推进器喷嘴结构尺寸进行优化设计，本文使用FLUENT软件及其自带GAMBIT建模软件对喷射推进器进行了仿真模拟，建立了不同喷嘴锥角、直径和长细比的三维模型，并对其喷射推进的效果进行了研究，主要从喷射后的压力场和速度场来分析喷射推进器的效果，从而实现喷射推进器喷嘴的优化设计，为喷射推进器的设计提供理论参考。
1.2 研究现状
空化流的研究，国内外近几十年来，很多学者在实验研究和数值分析方面已经做了大量的工作。国际会议着重于空化空蚀的机理、试验方法、数值模拟和应用，自1986年以来已经举办了五届[1]。除了开发试验研究空化流的数值计算，空化流从原始经验方法潜在的流方法(如升力面方法，表面单元法，涡格法和边界元法，然后到使用当考虑粘性雷诺(雷诺平均纳维-斯托克斯)方法，最后空泡流的数值模拟，越来越多的变成现实。目前，大涡模拟和仿真的空化流动分离涡模拟研究[2]是新兴研究方向。虽然国内外学者利用CFD方法对离心泵、轴流泵的空化性能和涡轮机叶轮机械进行研究[3]，但在整个液压螺旋桨空泡性能的数值分析和研究还是比较缓慢。
现代喷水推进泵属于轴向流和混流泵。1994年在伦敦举行的会议，罗伊[4]显示了喷水推进的辉煌历史，但很少涉及到泵的设计方法。类似，使用喷水推进泵设计文学价值可能是Wisticenus始于1947年[5]，1948年和1955年Stepanoff[6、7]，1956年牧羊人出版的这本书。罗德岛Lewis[9]是一本受欢迎的书，出版于1996年，这本书介绍了总体设计中最新的两种泵理论。虽然设计工具本质上并不重要，但CFD领域的进展极大地推动了泵的设计。在CFD发展的同时，麻省理工学院船舶水动力实验室有机的结合升力面理论和CFD技术，并已应用于喷水推进泵的设计。由于分支的快速发展，大量的泵设计方法和工具在相关领域得到快速的发展。
简而言之，一维理论没有考虑流体性质、压力和速度通过垂直于指定的路径(例子如简化或平均流线）截面变化，这说明只有流体轴向通过泵或螺旋桨才引起变化，同样，总是沿叶片表面的方向稳定流动。一维流动的假设，极大地简化了喷雾泵设计的初步计算，然而，除了结合一些其他理论和假设，很少给出所需叶片的形状。轴流式叶轮通常是基于圆柱层独立= 0，用于圆柱形叶片设计方法。Wislicenns文献[10]详细讨论了轴向流和混流泵水力设计的一维理论。一维假设默认进入叶轮的流动是均匀和无旋的，轴向流速只有通过轴向速度流除以流区域得出，即选择利用平均流速。为达到径向平衡，取得良好效率，需循环推导计算自由旋涡叶轮速度和半径之间的关系。然而，除此之外，文献Stepanoff[11]定义的9个速度分布，包括强制涡和自由涡关系，在达到径向平衡时无交叉流动。在过去几十年里，708研究所在1974年首次完善轴向流泵的基础设计理论等非理性的圆形分布法和变量圆形分布法[12]，沿着翼展的速度环量分布的变化，可以根据设计的特点进行人工流。
模型代表使用平面二维流场，被映射或简化频道，或平均流线空间叶片之间的级联，近似级联飞机三维几何，显然随着层数的增加，整体的精度将会改善。二维模型必须假设在正交方向上的流动速度和压力梯度正交方向可以忽略或单独考虑。在射流的解决方案中，解决叶片之间的压力和流量、径向流和压力梯度，必须首先通过其他方式(如轴向对称流线曲率法、ASCM)估计或包含在计算来解决。和其他特定的自由涡叶片轴流泵设计相比，因为在这种类型的泵径向速度梯度很小，所以考虑到效果可以非常简单。
在许多情况下，你可以完全忽略径向速度，轴向流速可由轮毂形状和估算边界层厚度进行调整。处理轴流式和混流式泵的通道和环形通道的二维和轴对称流线时，流线曲率法(SCM)显示能力较强。ASCM通常是在应用程序的分析或其他设计工具建立叶栅几何形状或预测压力之前，用来提供径向、轴向和周向速度和压力输入。ASCM计算程序给出周向平均解，可以直接显示转矩和能量的变化信息。通过迭代调整流线表面的形状，使流线方向和正交方向的应
第一章 绪论 1
1.1 课题的意义和研究背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 本文研究内容 4
第二章 喷水推进技术 5
2.1喷水推进的主要技术发展进程 5
2.2喷水推进的主要优点 5
2.3喷水推进技术的应用前景 6
2.4 混流式喷水推进器结构原理 7
2.5喷水推进的主要实验性能 8
第三章 FLUENT计算理论介绍 11
3.1 FLUENT基本求解方法 11
3.2 湍流流动概述 12
3.3 FLUENT软件介绍 12
第四章 混流式喷水推进建模和边界条件设置 14
4.1 混流式喷水推进建模 14
4.2 模型网格划分 14
4.3 仿真模拟边界条件 17
第五章 FLUENT仿真模拟结果分析 20
5.1 航速为12m/s时结果分析 21
5.2 航速为14m/s时结果分析 23
5.3 航速为16m/s时结果分析 25
5.4 航速为18m/s时结果分析 27
5.5 航速为20m/s时结果分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题的意义和研究背景
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21
5.2 航速为14m/s时结果分析 23
5.3 航速为16m/s时结果分析 25
5.4 航速为18m/s时结果分析 27
5.5 航速为20m/s时结果分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题的意义和研究背景
传统的螺旋桨是利用推进器直接产生推力，喷水推进是与众不同的推进方式，利用特殊的推进装置喷出水流，由其产生的反作用力推动船舶前进。，喷水推进技术研究进展缓慢，主要原因是理论研究不完善，关键性技术没有得到攻关。比如无空泡而且低损失效能的进口管道系统，机、泵、船的高效配合，水动力性能极佳的倒航操纵装置等技术没得到解决，大功能转换能力和高效率的推进泵没有被研发等。喷水推进具有抗空泡性能特别强、推进效率比较高、操纵的性能良好、附体的阻力比传统推进小、运行噪声相对较低和变工况的适用范围比较广等传统常规螺旋桨没有的优点。
为了对喷射推进器喷嘴结构尺寸进行优化设计，本文使用FLUENT软件及其自带GAMBIT建模软件对喷射推进器进行了仿真模拟，建立了不同喷嘴锥角、直径和长细比的三维模型，并对其喷射推进的效果进行了研究，主要从喷射后的压力场和速度场来分析喷射推进器的效果，从而实现喷射推进器喷嘴的优化设计，为喷射推进器的设计提供理论参考。
1.2 研究现状
空化流的研究，国内外近几十年来，很多学者在实验研究和数值分析方面已经做了大量的工作。国际会议着重于空化空蚀的机理、试验方法、数值模拟和应用，自1986年以来已经举办了五届[1]。除了开发试验研究空化流的数值计算，空化流从原始经验方法潜在的流方法(如升力面方法，表面单元法，涡格法和边界元法，然后到使用当考虑粘性雷诺(雷诺平均纳维-斯托克斯)方法，最后空泡流的数值模拟，越来越多的变成现实。目前，大涡模拟和仿真的空化流动分离涡模拟研究[2]是新兴研究方向。虽然国内外学者利用CFD方法对离心泵、轴流泵的空化性能和涡轮机叶轮机械进行研究[3]，但在整个液压螺旋桨空泡性能的数值分析和研究还是比较缓慢。
现代喷水推进泵属于轴向流和混流泵。1994年在伦敦举行的会议，罗伊[4]显示了喷水推进的辉煌历史，但很少涉及到泵的设计方法。类似，使用喷水推进泵设计文学价值可能是Wisticenus始于1947年[5]，1948年和1955年Stepanoff[6、7]，1956年牧羊人出版的这本书。罗德岛Lewis[9]是一本受欢迎的书，出版于1996年，这本书介绍了总体设计中最新的两种泵理论。虽然设计工具本质上并不重要，但CFD领域的进展极大地推动了泵的设计。在CFD发展的同时，麻省理工学院船舶水动力实验室有机的结合升力面理论和CFD技术，并已应用于喷水推进泵的设计。由于分支的快速发展，大量的泵设计方法和工具在相关领域得到快速的发展。
简而言之，一维理论没有考虑流体性质、压力和速度通过垂直于指定的路径(例子如简化或平均流线）截面变化，这说明只有流体轴向通过泵或螺旋桨才引起变化，同样，总是沿叶片表面的方向稳定流动。一维流动的假设，极大地简化了喷雾泵设计的初步计算，然而，除了结合一些其他理论和假设，很少给出所需叶片的形状。轴流式叶轮通常是基于圆柱层独立= 0，用于圆柱形叶片设计方法。Wislicenns文献[10]详细讨论了轴向流和混流泵水力设计的一维理论。一维假设默认进入叶轮的流动是均匀和无旋的，轴向流速只有通过轴向速度流除以流区域得出，即选择利用平均流速。为达到径向平衡，取得良好效率，需循环推导计算自由旋涡叶轮速度和半径之间的关系。然而，除此之外，文献Stepanoff[11]定义的9个速度分布，包括强制涡和自由涡关系，在达到径向平衡时无交叉流动。在过去几十年里，708研究所在1974年首次完善轴向流泵的基础设计理论等非理性的圆形分布法和变量圆形分布法[12]，沿着翼展的速度环量分布的变化，可以根据设计的特点进行人工流。
模型代表使用平面二维流场，被映射或简化频道，或平均流线空间叶片之间的级联，近似级联飞机三维几何，显然随着层数的增加，整体的精度将会改善。二维模型必须假设在正交方向上的流动速度和压力梯度正交方向可以忽略或单独考虑。在射流的解决方案中，解决叶片之间的压力和流量、径向流和压力梯度，必须首先通过其他方式(如轴向对称流线曲率法、ASCM)估计或包含在计算来解决。和其他特定的自由涡叶片轴流泵设计相比，因为在这种类型的泵径向速度梯度很小，所以考虑到效果可以非常简单。
在许多情况下，你可以完全忽略径向速度，轴向流速可由轮毂形状和估算边界层厚度进行调整。处理轴流式和混流式泵的通道和环形通道的二维和轴对称流线时，流线曲率法(SCM)显示能力较强。ASCM通常是在应用程序的分析或其他设计工具建立叶栅几何形状或预测压力之前，用来提供径向、轴向和周向速度和压力输入。ASCM计算程序给出周向平均解，可以直接显示转矩和能量的变化信息。通过迭代调整流线表面的形状，使流线方向和正交方向的应
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