机动条件下喷水推进泵内瞬态空化机理及控制方法

The transient cavitation in waterjet pumps under the special conditions such as starting, turning and reversing severely restricts the efficiency of waterjet propulsion system. In this project, the waterjet pump is taken as the main research object, and the transient cavitation mechanism in waterjet pumps is studied by theoretical analysis, internal flow test and numerical simulation.. The high speed photography and dynamic pressure test are used to test the internal flow in waterjet pumps. Considering the effects of rotation and curvature, LBM model is improved and the calculation method of SGS coefficient is established. LBM-LES coupling model is developed and is used to simulate the transient cavitation in waterjet pumps under maneuver conditions. Based on simulation results, the mechanism of bubble birth, development, shedding and collapse under maneuvering conditions will be researched, and the effect of cavity shedding and collapse on the impact load and its propagation characteristics will be paid special attention. Also, the influence of bubble development on the structure loss and energy performance of pump will be revealed. The effect of key geometric parameters of impeller and the guide vane on cavitation pattern will be disclosed, which tries to establish an optimal control method of transient cavitation in waterjet propulsion pumps. The research results can enrich and develop design theory and methods of waterjet pumps, and also can provide reference for other types of impeller machinery research.

喷水推进泵在启动、转弯和倒车等机动条件下产生的瞬态空化严重制约了船舶喷水推进的效率和稳定性。本项目采用内流测试、数值计算和理论分析相结合的方法，开展船舶机动条件下喷水推进泵内瞬态空化机理研究。. 拟综合采用高速摄影和动态压力测试对喷水推进泵内部流动进行测量；考虑旋转和曲率的影响完善LBM模型，建立大涡模拟中SGS系数的计算方法，发展LBM-LES耦合计算模式，对机动条件下喷水推进泵内瞬态空化流动进行模拟。研究机动条件下喷水推进器内空泡的初生、发展、脱落和溃灭机理，特别是空泡脱落和溃灭产生的冲击载荷及其传播特性，揭示气泡发展对泵水力损失结构和能量性能的影响；研究叶轮和导叶等过流部件关键几何参数对空化形态的影响，建立喷水推进泵内瞬态空化的优化控制方法，丰富和发展我国喷水推进泵内流机理研究，为其它类型水力机械研究提供借鉴。

本项目采用数值模拟和理论分析相结合的方法对轴流式喷水推进泵在不同机动条件下的外特性、压力脉动、内流和空化性能等方面进行了分析，揭示了机动条件下喷水推进泵性能变化规律及其内流机理。. 基于试验测试建立了喷水推进泵内流模拟方法，研究了不同转速和不同航速下喷水推进泵的外特性和内流场的变化趋势，结果表明随着转速的增加喷水推进泵的推力逐渐增大；随着航速的增加喷水推进泵的推力逐渐降低；叶轮出口压力脉动主要受导叶影响，导叶出口不同位置的压力脉动主频不同，轮毂处压力脉动主频为轴频，流道中部及轮缘处均为叶频。. 通过改变进流角度的方法等效转弯条件，研究了转弯角度和转向对喷水推进泵性能的影响规律，结果表明喷水推进泵的推力随着转弯角度的增大线性降低；相同角度时右转弯的推力比左转弯时大，最大推力差为无转弯角度时的9.14%；叶轮内的空泡初生于叶轮进口边外缘，空泡区域集中于转向一侧叶片，右转弯空化情况较左转弯时有所好转；随着转弯角度的增大各切面上的空泡由吸力面外缘逐渐发展至流道中部。. 基于自定义函数运用瞬态加速模拟的方法研究了加速条件下喷水推进泵的内部流动，研究加速时间和方式对喷水推进泵性能的影响规律，结果表明直线加速时喷水推进泵的推力直线上升；随着加速时间的增加，喷水推进泵的推力有所减小，指数加速时推力基本呈指数增长，指数加速同一时刻的推力低于直线加速，推力差逐渐增大，加速后直线加速的推力是指数加速的1.41倍；不同加速时间的叶轮内空泡分布具有良好的一致性，随着加速时间的增加叶轮内的汽相体积分数增大，叶轮内的空泡分布逐渐接近；直线加速方式下的汽相体积分数比指数加速高27.3%。. 本项目发表论文15篇，其中SCI检索11篇、EI检索3篇；授权发明专利3件；获教育部科技进步二等奖1项；培养硕士研究生4名、博士研究生1名。