0 引　言

由于推进效率高、不易空化、好操纵，机动性强、振动小、噪声低等优点，喷水推进在船舶推进领域得到了广泛的应用^[1-2]。喷水推进泵是船舶喷水推进的核心部件，直接影响着船舶的推进性能，而转速和航速等工况变化会引起喷水推进泵性能变化，从而影响船舶的航行特性^[3-4]。

胡海鹏^[5]试验研究了喷水推进泵转速对效率的影响规律，结果表明转速升高效率峰值随之增大，且喷水推进泵最优效率也向大流量区域偏移。申占浩^[6]基于数值模拟，研究了不同转速比下对旋轴流式喷水推进泵的外特性，并且得到了不同流量下效率最高点的最优转速比以及转速控制方法。韩小林^[7]运用计算流体力学软件，研究分析叶轮转速变化对轴流泵性能的影响，得出转速偏离设计值越大，效率下降幅度越大的结论。

孟凯旋^[8]以对旋轴流式喷水推进器为研究对象，得出了不同航速下推进泵压力脉动分布情况。Marin^[9]探究指出高航速会导致进水流道效率降低。王永生^[10]研究了喷水推进器的功率特性与航速的关系, 得出航速对喷水推进器功率、喷水推进器力矩的影响不大。

综上可以发现，现有研究重点关注转速与航速等参数对喷水推进泵外特性的影响，很少关注其对内部流场的影响。为此，采用数值模拟方法对不同工况下喷水推进泵内流进行数值模拟，揭示航速和转速等运行条件对喷水推进泵内流的影响规律，从而为喷水推进泵的运行优化提供借鉴。

1 研究模型及网格 1.1 计算模型

研究模型为一轴流式喷水推进泵，其额定流量为0.63 m³/s、泵段扬程为21 m、额定转速为1 800 r/min、额定航速为30 kn、叶轮叶片数为5，导叶数为7。图1给出了喷水推进泵计算域三维模型，由喷嘴、导叶、叶轮、进水流道及进水控制体等5个部分组成。

1.2 研究方案

为考察不同转速与航速的影响，采用单一参数变化的方案。额定航速下，研究转速为1000 r/min，1400 r/min，1800 r/min，2200 r/min等4个转速工况；额定转速下，研究航速为10 kn，20 kn，30 kn，40 kn等4个航速工况。

1.3 网格划分及相关性检验

采用高精度的六面体结构化网格对喷水推进泵进行网格划分。图2为叶轮和导叶计算域网格。

为了避免网格数量对计算结果产生影响，对喷水推进泵计算域进行网格相关性检查，检查结果表1所示。在方案3之后，喷水推进泵推力随着网格数量的增加变化幅度小于0.05%，认为方案3已经满足计算精度要求。

2 数值计算方法及试验验证 2.1 数值计算方法

采用Ansys18.2中CFX开展数值仿真计算。进水体进口边界条件为Normal Speed、进水体出口边界条件为Opening、喷嘴出口为Static Pressure。采用冻结转子进行动静部件耦合，采用标准壁面函数处理近壁区，壁面设置为无滑移壁面。选择RNG k-ε湍流模型进行计算，收敛精度为10⁻⁴。

2.2 试验验证

图3给出了模拟与试验扬程的对比曲线。可以看出，不同工况下数值模拟得到的喷水推进泵扬程与试验值均较为接近，所有偏差均在2%以内，因此采用的数值模拟方法基本可靠。

3 结果对比与分析 3.1 能量特性分析

图4给出了转速和航速变化时喷水推进泵的能量特性。如图4（a）所示，航速不变时，喷水推进泵的推力均与转速正相关，且推力增幅随转速增大而加快；转速不变时，喷水推进泵的推力性能与航速呈负相关。如图4（b）所示，喷水推进泵效率随转速的变化规律较为相似，最高效率可达55%，且推进泵最高效率点随着转速的增大逐渐偏移至高航速区域；转速不变时，推进效率随航速的增大均先增高后减小。

综上所述，转速与航速对喷水推进泵的外特性影响是不一样的，特别是在低转速下，推进系统所能达到的最大航速较小，且此时的推进效率较低。这说明低转速高航速下，喷水推进泵的性能下降严重。

3.2 不同航速下推进泵内流分布

图5～图7给出了不同航速下进水流道轴面、叶轮进口以及导叶出口的压力分布。可以看出，额定转速不同航速条件下,进水流道轴面的压力分布相似，由于流体经过弯管和转轴发生流动分离，导致流道内压力分布不均，并在进水流道内分布小范围高压区。受进水流道压力分布影响，叶轮进口截面的低压区域和高压区域分别集中在叶轮进口底部和进口上侧，由于导叶对喷水推进泵流场起到的整流作用，使得不同航速下叶轮出口压力分布呈现明显的周期规律，叶片出口处存在局部高压区，数量与导叶叶片数一致性，叶片进口处分布着低压区，数量叶轮叶片数一致，导叶出口处压力分布与叶轮出口处压力分布基本类似。

航速增大会导致进水流道轴面整体压力增大，并使顶部等局部区域出现高压区，且高压区分布范围随着航速的增大有所增加。叶轮进口以及导叶出口的整体压力分布均逐渐增大。

图8～图10为不同航速下进水流道轴面、叶轮进口和导叶出口的速度分布图。航速变化时，进水流道轴面内的速度分布较为相似，由于高速流体重力势能的作用，进水流道的转轴上下区域存在速度差，转轴下方区域的流体的流速更高，出现局部的高速区，在截面两侧和旋转轴上方存在明显的由逆向压差导致的旋涡结构。航速变化时，导叶出口处的速度分布均有一定的周期性，导叶出口截面内轮毂附近出现低速区。轮缘附近分布着与导叶叶片数相等的高速区域。

航速增大后流道进口截面处逐渐出现旋涡，并逐渐增大。叶轮进口速度分布随航速增大更加均匀。由图10可以发现，高航速下导叶出口处整体速度较小，而低航速下较大，这应该与低航速下导叶内部不稳定流动有关。

3.3 不同转速下推进泵内流分布

图11～图13分别是不同转速条件下喷水推进泵进水流道、叶轮和导叶内的压力分布。可以看出，不同转速下进水流道、叶轮和导叶内压力分布较为类似；进水流道内压力分布从上到下逐渐减小，但唇部和转轴下方也存在局部高压区，转速升高这一区域面积有所减小；叶轮进口截面内转轴下放存在较为明显的高压区，随转速升高该区域面积逐渐减小；由于导叶扩压作用，导叶出口截面内有多个高压区，位置与导叶叶片出口边相对应，且随着转速的升高这一现象愈发明显。

对比图12和图13可以看出，在同一工况下，由于导叶的整流作用，流道内压力从叶轮到导叶由不均匀逐渐变化为周期性均匀分布。

图14～图16分别为不同转速条件下的进水流道，叶轮进口和导叶出口的速度分布。由图14可知，总体上转速对进水流道的速度分布影响较小，速度分布类似；流速从进口开始逐渐下降，转轴上方速度更低；进口边存在漩涡，随着转速升高漩涡有所减弱。由图15可知，叶轮进口速度在不同转速下均呈现上低下高的分布趋势，低速区分布在上部外缘处，且转速越低改区域面积越大。由图16可知，导叶出口速度分布较为均匀，在导叶叶片出口边处存在局部高速区。总体上，提高转速有利于提高喷水推进泵内整体流动速度，内部流线也更加光顺。

4 结　语

1）喷水推进泵的推力性能受转速与航速变化影响较大，与转速呈正相关，与航速呈负相关；不同转速下推进泵的最高效率点向高航速区域偏移；高航速下推力增幅更快；转速不变时，不同航速的推力差基本不变。

2）额定转速下，随着航速的增大，喷水推进泵进水流道、，叶轮进口和导叶出口的压力均逐渐增加，且压力分布更为；随着航速的增大，进水流道进口易出现漩涡，叶轮进口和导叶出口处速度分布更为不均，且高速区面积增加较多。

3）额定航速下，随着转速的升高，喷水推进泵进水流道内的压力分布趋于均匀，叶轮进口低压区面积有所增加，导叶出口高压区有所增加。随着转速的增加，进水流道进口漩涡有所减小，叶轮进口高速区面积增大，导叶出口截面处压力上升且分布也趋于均匀。