喷水推进器失速工况下流动及压力脉动特性

处在小流量工况下运行的喷水推进泵，由于进口来流冲角的增大，会在叶片背部发生脱流，从而引发内部的不稳定流动。为了探究这种流动特性，建立了一个完整的三维喷水推进系统模型，包括进水管道、推进泵和喷管。本文采用计算流体力学方法(CFD)，并基于SST k-ω湍流模型，对喷水推进泵在多种工况下的内部流场展开数值计算研究。结果表明：随着流量的减少，推进泵的扬程和效率曲线均出现大幅度的下降，呈现具有正斜率的驼峰特性；设计工况下推进泵内部流动稳定，随时间变化较小；临界失速工况下导叶内部涡核形状随着时间不断变化；深度失速工况下推进泵内部速度和压力变得紊乱；在压力脉动方面，设计工况下推进泵内各位置的压力脉动主频均为叶频；从叶轮进口到导叶出口，叶轮通过频率的主导作用依次减弱，压力脉动幅值逐渐降低；失速工况下各位置的压力脉动幅值较设计工况均有所增加，脉动频谱变得混乱并伴随有低频特征的出现。

喷水推进器通常由进水流道、喷水推进泵、喷口和操舵倒航机构组成，其中的喷水推进泵是喷水推进器的核心组件，其性能的高低直接关系到整个喷水推进器的性能[1]。近些年来，喷水推进器在高性能船舶和军用舰艇上都得到了广泛的应用，同时所面临的运行条件也在不断变化，系统常在偏离设计工况的条件下运行。在此条件下，内部易形成不稳定的流动状况。不仅影响推进器的性能，而且容易引起旋转失速现象，严重影响推进器的运行安全[2] [3] [4] [5] [6]。根据Emmons 等[7]提出的理论，由于周向不均匀的扰动，叶轮会诱发旋转失速，形成失速涡并造成流道的堵塞。这种不稳定的流动往往会使泵的性能曲线出现驼峰现象，即在扬程曲线上具有正斜率特性[8]。当泵在小流量条件运行时，会在叶片背部出现流动分离、旋涡等不稳定的因素，造成大量能耗损失，存在一定安全风险[9] [10]。因此，对推进泵内部这种不稳定状况的特性研究具有很重要的意义。

对于在失速工况下泵内部的流动特性，许多国内外学者进行了深入的研究。Hu 等[11]通过对混流式喷水推进泵进行数值研究，发现无论导叶是否存在，在小流量的范围内，混流泵的性能曲线均表现为正斜率，即发生了失速现象。进一步研究发现，是由位于叶轮尖端前缘的流道中的失速流引起的。Miyabe等[12]采用PIV 技术研究了混流泵内部失速的传播机制，发现在流量小于最佳效率点流量的65%时，会发生失速， 其扬程性能曲线具有正斜率特性。

郑源等[13]通过非定常的数值计算，分析对比了混流泵在设计工况和失速工况下的内部流动结构与压力脉动特性，并揭示了泵在失速工况下产生的低频压力脉动的是由导叶内漩涡诱导所致。目前在驼峰区流动特性方面，现有的研究大多是针对单个泵体，而喷水推进器是包含推进泵、喷口、进水流道以及下方水体部分的一个系统，目前这方面的研究还较少，亟待开展相关的探讨。