0 引　言

喷水推进船舶的操纵功能由操舵倒航机构实现，见图1，从喷口喷出的高速水流进入操舵倒航机构，驱动机构旋转或闭合，改变水流方向，产生操纵船舶运动的作用力。在大型喷水推进装置中，操舵倒航机构重量约占整个装置重量的30%，若能对机构进行精细化设计，预计能显著减小推进装置的重量，进而提高平台的各类性能。具体设计方法根据操舵倒航机构的压力载荷对其进行结构刚强度计算，使最终设计的操舵倒航机构具备相对合适的安全系数，载荷的准确与否是个值得探究的问题。本文拟确定一种操舵倒航机构表面压力分布的计算方法，并通过模型试验进行验证，以确定计算方法的准确性，为操舵倒航机构刚强度计算提供准确的计算输入。

1 研究对象和方法

考虑到模型试验将在喷水推进技术重点实验室的流场与力特性试验室（立式循环水槽）中完成，结合试验段尺寸，确定操舵倒航机构的设计特征尺寸（喷口）为200，以此进行操舵倒航机构数值计算模型和试验模型的设计工作。

操舵倒航机构的内表面压力可通过数值模拟计算和理论分析、模型试验测量得到。数值模拟计算具有计算花费少，计算耗时短和精度较高的特点。理论分析中各种影响因素较为清晰，但对于机构中的非线性情况，难以给出解析结果。一般认为模型试验结果真实可信，但试验花费的时间长，代价高，可用来验证数值计算的准确性。本次研究选取数值计算和模型测量方法进行机构内表面压力的研究。

2 流量确定

若要使试验测量结果可完成数值计算结果的验证，则要求数值计算的输入流量和模型试验的输入流量大小相等。数值模拟可根据喷水推进泵的特性确定一个输入流量，模型试验则需要找到这个流量，如图2所示。

在模型中设置P₁、P₂两个测压点（一周4个测点取平均值），对截面1和截面2列伯努利方程。

${Z_1} + \frac{{{p_1}}}{{\rho g}} + \frac{{{V_1}^2}}{{2g}} = {Z_2} + \frac{{{p_2}}}{{\rho g}} + \frac{{{V_2}^2}}{{2g}} + {h_{1 - 2}} 。$

式中： ${Z_1} = {Z_2}$ ； ${V_1} = \dfrac{{4Q}}{{{\text{π}} ({D_1}^2 - D_3^2)}}$ ； ${V_2} = \dfrac{{4Q}}{{{\text{π}}{D_2}^2}}$ ；h₁₋₂为之间的损失水头（为简化计算，本次水头损失取0）。

可以推导出： $\Delta P{\text{ = }}\dfrac{{4Q}}{{{\text{π}} D_2^2}}\sqrt {\dfrac{{\rho \left[ {{{(D_1^2 - D_3^2)}^2} - D_2^4} \right]}}{{{{(D_1^2 - D_3^2)}^2}}}}$

式中： ${D_1} = 0.275$ m； ${D_2} = 0.2$ m； ${D_3} = 0.114$ m； $\Delta P = {P_1} - {P_2}$ ，可通过差压计测得，Pa。

经过计算可以得到在数值计算流量下，模型试验对应的差压计压差，这样可认为模型试验的输入流量基本和数值计算的流量值大小相当。

3 数值模拟计算机构内表面压力

数值模拟计算因其方便性和强大的后处理能力，在工程设计中得到广泛的应用。操舵倒航机构内表面载荷的计算则借助计算流体力学（CFD）中Fluent软件，完成表面压力分布的计算工作。

3.1 三维模型

如图3所示，操舵倒航机构在工程应用中存在正航，倒航和转舵工况。经分析可知，机构在全速倒航时受到最大的水流作用力，机构的刚强度计算输入选取全速倒航工况，所以本次研究选取全速倒航工况。根据喷口和操舵倒航机构的内壁面建立三维模型，整个计算流域的大小以喷口直径D作为特征参数，进流长度取不小于5D，整个流域长度不小于8D，宽度不小于6D，深度不小于8D，出口不小于3D。

3.2 网格划分

操舵倒航机构计算域网格借助Ansys ICEM CFD软件完成，由于操舵倒航机构的计算域较为复杂，本次计算采用非结构化网格进行空间离散，经网格无关性验证后确定网格数量，本次计算网格数量在200万左右。

3.3 边界条件和求解方法

设置外部边界为压力出口，计算域进口为速度入流，近壁区为标准壁面函数，操舵倒航机构内壁面及喷口直管段为固壁面。求解方法为PISO算法，湍动能、湍动能耗散率及动量方程中的对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式。

3.4 湍流模型

在模型试验中，操舵倒航机构处存在空气和水流2种状态，所以本次计算采取气液两相流模型进行计算。具体说来就是采用RNG k-ε湍流模型求解RANS方程，并采用VOF算法捕捉气液相之间的两相界面。

3.5 计算结果

操舵倒航机构内表面压力如图4所示。在全倒航工况下，整个机构上的压力变化较为均匀，最大在65 kPa。

4 模型试验测量机构内表面压力

模型试验在立式循环水槽进行，借用进行操纵力测量的试验台架，整个机构通过螺栓连接在试验台架上，由1台双级轴流推进泵提供试验来流，如图5所示。

4.1 试验原理

采用压力传感器测量机构内表面的压力，经过调研知压力传感器有2种，一种是用软管将压力引出到压力传感器上（对传感器防水要求不高），另外一种是用防水型压力传感器直接螺纹固定在测压点上。第1种传感器的缺点是需要在实验开始前将软管内充满水，须设计软管中的排气装置。第2种传感器的缺点是当机构存在振动时，可能会引起测量结果的不准确，而振动难以避免。经过综合比较，选用第1种传感器完成机构内表面压力测量。试验原理如图6所示。

4.2 试验模型

试验模型加工完成后，在模型上攻螺纹孔，攻丝时尽量保持孔和孔位处的内避免垂直。利用乐可利快插接头和PU软管，将机构内壁面压力引至压力传感器。因机构测量点共有84个，传感器数量24个，所有内壁面的压力不能一次测量完成，所以为了方便试验，设计了压力传感器底座。压力测量模型如图7所示。

4.3 试验仪器精度

试验选定PTX 50A2-TC-A3-CB-HO-PA型号的传感器来进行操舵倒航机构上的载荷测量，结合数值计算的结果，确定传感器量程−100～100 kPa，测量精度在±4%。

4.4 试验过程

每次可测量可=22个测量点数据（其中2个为差压计的传感器），其余测量点每2个点用软管连通。首先将水槽中水位没过机构模型，用真空泵抽吸软管中空气，待软管内充满水分后，停止抽吸；然后调节水位至设计水线处，开始试验。观察差压计上的数值，达到计算值时，稳定电机转速，开展压力测量试验，将试验结果整理导出。

5 试验结果对比验证

在三维模型中读取开孔点的三维坐标值，输入到同坐标中数值计算结果中，可得到二者结果的对比值。为方便比较，测量点位置和二者的结果对比展示如图8和表1所示。

6 结　语

经过以上结果对比可看出：数值计算结果和模型试验测量结果表现出较好的一致性，可在刚强度计算中作为有限元分析的输入。在倒航时，倒航斗上下颚闭合在一起，引起部分测量点不可测量，所以在全倒航试验时，有效的测量数据是单边33个，在选取的33个测量点中，二者差值<5%的有18个，占比54.54%，差值在10%以内的测量点有14个，占比42.42%，其中点26的差值在11.1%.分析原因是其处于结构的边缘，流动较乱，所以压力测量值和数值模拟计算值差值较大。

随着试验的开展，目前喷水推进倒航操舵机构的研发设计均进行流固耦合的计算，尽早在设计阶段发现结构设计的薄弱点进行结构加强，本研究具有一定的指导意义。