基于仿生翼型喷水推进泵叶轮的空化特性

苏晓珍，栗文静，解文辰，宋飞，常海燕，王璐

(1. 合肥城市学院，安徽合肥 230001；2. 合肥恒大江海泵业股份有限公司，安徽合肥 230001)

喷水推进泵是水力机械中一种新型泵，它通过喷嘴喷射水流产生的反作用力使装置前进[1-3]，具有结构简单、重量轻等特点，广泛应用于核潜艇、船舶、鱼雷导弹、水下滑翔机等军事领域的推进装置中。喷水推进泵的流动声学研究及其降噪愈来愈被人们所关注，不仅因为这类泵在军事领域的广泛应用，还因为其特殊的几何配置，使内流机制有别于其他离心式流体机械，由此所引起的气动噪声有其自身的特点[4-5]。此外，当舰艇在中、高速航行时，喷水推进泵旋转噪声随航速增大而增强，逐渐超过低频线谱，成为潜艇的主要噪声；随着转速不断提高，泵更易发生空化现象，一旦推进器的叶片产生空泡，噪声将显著增强。空化噪声是潜艇的主要噪声[6-8]。因此，从涡动力学理论出发，研究喷水推进泵内部复杂的湍流流动及诱发流动噪声机理，并开展内部涡流动分析，改善空化性能、降低噪声，是很有必要的。

本文将水力机械流动理论、空化动力学理论有机结合[9-11]，采用仿生学原理开展喷水推进泵内部复杂漩涡流动数值模拟，结合模型泵试验，研究空化的产生、发展及溃灭过程机理，以及能量变化规律等，寻找水力性能下降的主要原因[12]，并将仿生翼型与目前具有最优性能的NACA4410翼型和791翼型进行比较分析，探寻不同翼型喷水推进泵叶轮的内部空化流动特性。

1 模型的建立

1.1 鲟鱼翼型的建立

鲟鱼的进化历史久远，亿万年前就有它的踪迹，长期的优胜劣汰已经使鲟鱼身体结构调整到最适合水下活动状态。本文利用鲟鱼身体的外形曲线设计仿生翼型，并对鱼嘴附近的仿生翼型骨线进行局部调整，借助CFD技术对仿生翼型进行水动力特性分析，获得较为优越的仿生翼型。

选择不同体型的3条鲟鱼作为研究对象，利用缺氧技术使鲟鱼自然死亡，确保其外结构没有损坏。将鲟鱼放在专用扫描平台上，使鲟鱼伸展并固定，然后在其周围放置专用数据采集贴片(paster，图1)。采用S702型巨影工业级激光(laster)3D扫描仪(准确率可达99.97%)进行非接触式扫描。将扫描得到的数据导入Geomagic Design X逆向工程软件，数据处理后可得图2所示的三维模型。

A：扫描实拍；B：扫描后处理。

A：处理前；B：处理后。

鲟鱼三维模型中含有鱼鳍和鱼尾。为了建立翼型，还要获取鲟鱼的外形曲线。首先建立坐标系，以鲟鱼吻突顶尖为坐标原点O，沿鱼长方向建立x轴。为了得到更精准的数据，将鱼身分为20等份，并以Ox轴为分界线将鲟鱼分为上下两部分，则鲟鱼上下部分外形各有20个控制点。设鲟鱼翼面控制点坐标为(xs,f(xs))，按式(1)进行无量纲化处理，可得图3所示的鲟鱼模型外形曲线控制点。

(1)

其中C为翼型的弦长。

图3 鲟鱼模型坐标系及外形曲线控制点

1.2 叶片截面几何结构

在不改变喷水推进泵叶片压力面情况下，改变叶片截面的翼型几何结构，设计3种方案比较分析仿生翼型在水力机械上的性能。3种方案的叶片截面分别采用鲟鱼仿生翼型(FSY翼型)、NACA4410翼型、791翼型进行加厚。3种翼型几何结构如图4所示。

A. FSY翼型；B. 791翼型；C. NACA4410翼型。

2 结果与分析

喷水推进泵是否发生空化与装置汽蚀余量(net positive suction head，NPSH，Ha)有较大的关系。改变泵进口压力，即改变Ha，泵的扬程也会变化。在相同流量工况下，定义扬程降δH为：

δH=Hp/H

式中Hp为Ha变化时大型轴流泵的扬程，H为泵在相同工况下无空化时的扬程。δH=3.00%为空化临界点。改变泵运行工况，采用空化临界点判断标准对装置空化特性进行分析，可得3种方案喷水推进泵扬程与装置Ha的变化规律(图5)。从图5可以看出，Ha在一定范围内减小时，泵扬程基本保持不变，然而当Ha减小到一定程度后，泵扬程急剧下降。3种方案的变化规律相似。叶片为FSY翼型结构时，随着Ha减小，扬程变化缓慢，Ha=3.56 m时，泵扬程下降3%(δH=3.00%)，即泵的必需汽蚀余量(necessary NPSH，Hr)为3.56 m。同理可得，叶片为NACA4410翼型结构时，泵的必需汽蚀余量为3.71 m，叶片为791翼型结构时，泵的必需汽蚀余量为3.82 m。

A. FSY翼型；B. NACA4410翼型；C. 791翼型。

叶片为FSY翼型结构时，Ha不同，则叶片吸力面空化分布情况不同(图6)。从图6可以看出，随着喷水推进泵装置Ha的降低，空化区域(即气泡覆盖叶片的面积)逐渐增大。Ha=5.19 m时，叶片吸力面开始出现空化现象，空化区域主要分布在叶片外缘(叶顶)处。根据图5，此时喷水推进泵扬程下降不足3%，对泵的外特性影响相对较小。随着Ha的降低，空化区域从叶顶不断向叶片出口方向发展，径向则不断向轮毂方向发展，甚至迅速扩展到几乎整个叶片吸力面。当Ha=3.11 m时，空化区域已经延伸到叶片出口附近。

A. Ha=5.19 m；B. Ha=4.75 m；C. Ha=3.51 m；D. Ha=3.11 m。

叶片为NACA4410翼型结构时，不同Ha下叶片吸力面空化区域分布情况如图7所示。当Ha=5.74 m时，叶片吸力面外缘处出现少量气泡(蓝色代表空化区域)，根据图5，此时泵的扬程并未发生明显变化，可以断定这些气泡并不影响流体主流。随着Ha的下降，空化区域的变化情况与FSY翼型结构叶片相似，不断向叶片出口方向和轮毂方向延伸。当Ha=3.17 m时，气泡已经包裹整个叶片吸力面。

A. Ha=5.74 m；B. Ha=4.21 m；C. Ha=3.56 m；D. Ha=3.17 m。

叶片为791翼型结构时，不同Ha下叶片吸力面空化区域分布情况如图8所示。可以看出，791翼型结构与NACA4410翼型结构的空化区域具有类似的变化规律。3种翼型结构的不同之处是，当达到临界汽蚀余量时，3种叶片吸力面附近的空化区域面积不同。当Ha=5.19 m时，FSY翼型结构的叶片气泡量最少，NACA4410翼型次之，791翼型最多。气泡量的多少并不是影响泵性能的主要因素：当气泡量较少，还不足以改变叶轮内部流体流动的主流时，扬程的变化可以忽略不计；当若气泡量过多，则空化会对泵产生显著影响。

轮毂到轮沿的中间部分为0.5(Blade-to-Blade=0.5)时，3种方案的空化体积分数分布如图9所示。可以看出，在必需汽蚀余量条件下，FSY翼型结构叶片的空化主要发生在叶片最大厚度后方，这是因为流体在叶片最大厚度后方出现流动分离现象和局部低压区，而低压区的压力小于当前温度下流体气化压力，所以出现气泡。与NACA4410翼型结构叶片(图9B)相比，FSY翼型结构叶片内部的气泡量明显较少。与791翼型结构叶片(图9C)相比，FSY翼型结构叶片空化出现的位置离叶片出口更近。一般，流体流动产生流动分离的位置位于叶片最大厚度处，最大厚度后方则会出现局部低压区。而叶片旋转做功过程中，离叶片出口越近的位置，压力越大，抗空化性能越好。因此，叶片最大厚度离叶片出口近，有利于减少空化现象。

A. Ha=6.26 m；B. Ha=5.74 m；C. Ha=4.21 m；D. Ha=3.70 m。

A. FSY翼型，Hr=7.19 m; B. NACA4410翼型，Hr=3.71 m; C. 791翼型，Hr=3.82 m。

为捕捉流体流动的涡形式，采用流体机械领域应用较为广泛的Q准则识别法，对3种方案必需汽蚀余量下的涡量分布情况进行描述，结果如图10所示。

A. FSY翼型，Hr=7.19 m；B. NACA4410翼型，Hr=3.71 m；C. 791翼型，Hr=3.82 m。

根据图10，FSY翼型结构叶片的涡量主要分布在叶片进口前缘处、叶片最大厚度处、叶片出口处等部位，而NACA4410翼型结构叶片、791翼型结构叶片的涡量则主要分布在叶片进口、叶片出口附近。另外，FSY翼型结构叶片的涡量分布区域较小、较分散，NACA4410翼型结构叶片的涡量分布范围大，不稳定区域大。

3 试验验证

为验证数值模拟的可靠性，在具有一级精度的闭环式工作台上进行小型水洞试验(图11)，测试和优化仿生翼型水动力特性。试验装置包括HLT-131B型电机、HLT-138型扭矩仪、LDX186A1S2G2C51GP型压力计、数显式电磁流量计、D71X-16型进口阀和出口阀等。

图11 小型水洞试验装置

泵空化性能的数值模拟结果和试验结果见图12。在设计工况下，改变装置汽蚀余量，CFD数值模拟扬程结果略大于试验结果，但两者的变化趋势基本相同。当Ha≥5 m时，随着Ha的降低，扬程基本保持不变；当Ha<5 m时，随着Ha的降低，扬程迅速减小。Ha=4.71 m，泵的扬程下降3.02%，可近似为空化临界点。试验所得泵的必需汽蚀余量为Hr=4.55 m，数值模拟结果与试验结果的误差为3.64%。因此，数值模拟能从水力性能和空化性能方面准确预测泵内部流动状态。

图12 空化性能的数值模拟结果和试验结果

4 结论

采用仿生技术，使用数值模拟和模型试验相结合的方法，对仿生翼型设计的喷水推进泵叶轮空化性能进行研究，并与经典的NACA4410翼型、971翼型进行比较分析，结果为：仿生翼型泵所需汽蚀余量最小，为3.56 m(δH=3.00%)，叶片气泡量和气泡覆盖面积最少，稳定性较好，抗空化性能最好；仿生翼型模型叶轮试验测试结果与数值模拟结果相对误差较小，满足数值模拟计算误差要求。结果表明，所采用的仿生翼型在喷水推进泵模型优化上具有一定的应用价值。