泵喷水推进器叶轮尾迹动态特性及轴向推力稳定性研究

The comfort and manoeuvrability of high performance ships that are propelled by waterjet propulsions are inevitably severious problems. The flow pattern of wake as well as its overall performance of axial thrust as dynamic response of a waterjet propusion will be studied in this project. Visualization efforts on closed loop test rig will be performed to investigate the effect of the biomimicry design of the impeller trailing edge on the dynamic response of the wake. In addition, ITTC tests for unsteay axial thrust charateristics under bollard conditions will be carried out to determine the relationship between the dynamic axial thrust and the unsteady wke flow structure. With the help of advanced simulation technology for flowfield and classical time method and frequency method, the expected fow pattern of wake and the corresponded biomimicry design that can be used to improve the comfort and manoeuvrability of high performance ships will be outlined conceivablly. That is to say, the detailed notes of this project will be anticipated to display the time-resolved phenomena of lock-in, hysteresis and beating behavior of the three dimensional features of the wake and therefore its suppression due to biomimicry technology; the transfer matrix which relates the wake dynamic characteristic and the axial thrust stability will be detemined and consequently the axial thrust stability can be controlled by biomimicry design. The achievements of the project will provide academic support for the key technology which is of sustainable competition advantage and of the fields of high performance ships propelled by waterjet propulsions.

泵喷水推进器的动态性能是高性能船舶可操纵性和舒适性的关键因素，以泵喷水推进器内部流场的尾迹流态以及做为其外特性响应的轴向推力为研究对象，组合采用系柱条件下静水水池拖曳试验和闭式回路流场可视化试验、结合现代流场计算方法与经典时域和频域分析法的优点和优势，研究泵喷水推进器叶轮叶片出口边仿生设计与尾迹流态动态特性的联系，分析尾迹流态与轴向推力稳定性之间的关系，确定适用于提高高性能船舶可操纵性和舒适性的尾迹流态以及与之对应的仿生设计。项目预期将揭示三维尾迹流态的锁定、迟滞、差拍等时间演化规律及其基于仿生设计的抑制方法，建立叶片尾迹动态特性与轴向推力稳定性状态传递函数，实现基于仿生设计的泵喷水推进器轴向推力稳定性控制。研究成果可为我国在以泵喷水推进器为动力装置的高性能船舶核心技术领域形成一种持久的竞争优势提供技术支持。

一、背景及研究内容.由于具有浅吃水、高航速等优点，近年来各种形式的高性能船舶逐步在水雷对抗、远近海反潜护卫和高速运输等领域开始应用。而与高性能船舶的上述优势相对应，泵喷水推进器越来越多地替代螺旋桨为各类高性能船舶提供推进动力。泵喷水推进器是现代高性能船舶的核心推进部件，推力是泵喷水推进器的主要工作参数和性能指标。但是目前与泵喷水推进器推力特性相关的研究还很少见，这类研究至少涉及到①泵喷水推进器推力自身的特性以及②推力与泵喷水推进器水力部件设计参数的相关性两个方面。.本项目针对泵喷水推进器的推力特性，应用理论分析、数值计算和试验研究方法对泵喷水推进器的设计理论及其内部流动特性进行了系统的研究。.1.理论分析轴流式叶轮nD值的意义，理论分析叶轮的设计参数与泵喷水推进器推力之间的关系；.2.对比转速在550-1000之间的6个轴流式叶轮的水力性能进行了系统的试验研究和分析；.3.对相同比转速轴流式叶轮和斜流式叶轮的内部流动特性以及外特性进行了数值分析和试验研究。.二、结果、数据及意义.得到的重要结果、数据及相应的意义如下：.1.从船-推进系统出发，通过理论分析建立了泵喷水推进器性能的评价体系和评价参数，即泵喷水推进器的性能可以通过推力和推功比两个参数来评价，推力是喷水推进器的直接性能指标，推功比用于衡量与转速相关的效率；.2.理论分析并结合试验数据发现，nD值事实上是轴流式叶轮轮缘速度的另外一种表示形式，其由装置特性和泵特性共同决定。在泵喷水推进器中，nD值受装置净正吸头限制。这一结论明确了nD值的物理意义及其在叶轮设计中的作用和选用原则，结束了近20年来国内水力机械专家对该值取值范围的争论；.3.研究发现了泵喷水推进器的叶轮推力和系统推力都随着流量的变化而变化，且二者的差别巨大，也就是所谓的推力悖论。针对该推力悖论，研究发现了泵喷水推进器喷嘴的作用，也就是喷嘴的最合理尺寸就是使叶轮在其最优效率点工作并得到了该喷嘴直径的计算公式。.4.建立了泵喷水推进器推力特性与叶轮水力参数之间的数学联系，实现了喷水推进器叶轮设计参数的计算方法；试验研究发现泵喷水推进器最大推力、最大推功比对应的流量点并不一致，二者分别略小于和略大于叶轮的水力效率最大流量。.5.数值分析和试验研究发现，相同比转速轴流式泵喷水推进器的吸入性能和效率特性略优于斜流式泵喷水推进器的性能，建议优先选用轴流式叶轮。