喷水推进泵流道设计研究

论文摘要

喷水推进装置作为一种新型的船舶推进装置,其应用领域正在逐步扩展,尤其是在高性能舰船上已被广泛应用。在未来高速船领域内,喷水推进装置必将向着大功率、高效率的方向发展。泵作为喷水推进装置的核心部件,对其性能的研究极为重要。基于两类相对流面理论,本文首先应用Fortran语言编制了喷水推进泵准三维反问题设计程序,该程序可认为是通用的,对于本文中设计转速及功率条件下的其他模型程序,可通过修改此程序来实现。由程序生成的DATA文件,可进行喷水推进泵的三维建模,最后应用Fluent软件对不同流道形状的喷水推进泵进行数值模拟。本文共设计了五种喷水推进泵流道形状。其中模型一特征为进口内、外径比r/R=0.19；模型二特征为r/R=0.25；模型三特征为r/R=0.30；模型四在模型二的基础上,在动叶区入口处,适当地改变了轮毂和轮缘的轴面流道边线形状,使其离心角度加大；模型五与模型四相比,只是将动叶区进口附近轮毂和轮缘的径向角度增加的更大一些。针对于每一种模型,分别选取了7-8个流量工况点进行计算,在这些工况中,以设计点流量为基准,选取小流量工况、设计工况和大流量工况作为典型工况,对于前三种模型不同流量工况下的流场进行了对比分析,包括压力场和速度场。另外,针对于五种模型,计算出各个工况点的流量、扬程、功率、效率和汽蚀面积百分比,进行外特性对比分析。分析曲线的变化趋势及汽蚀性能。在完成以上工作后,根据分析的结果,进行设计点工况的选型和变转速计算。由于汽蚀是影响泵性能的重要因素,因此在此处选型时,主要选择汽蚀性能优良的喷水推进泵流道模型进行计算,分析流量、扬程、功率、效率、汽蚀面积随转速的变化关系。本文中由于没有对叶型进行较多的汽蚀优化,因此设计出的喷水推进泵汽蚀面积较大,但通过对流道形状的分析,能够得到利于减小汽蚀的流道形状。因此可根据不同的设计要求进行泵的选型,为喷水推进泵的实验研究等提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 喷水推进泵研究的背景和意义
• 1.2 水利机械中的汽蚀现象
• 1.2.1 汽蚀现象的产生机理
• 1.2.2 水泵的汽蚀性能
• 1.2.3 汽蚀相似定律及相似特征数
• 1.2.4 提高泵抗汽蚀性能的措施
• 1.3 汽蚀现象的国内外研究现状
• 1.3.1 国外方面
• 1.3.2 国内方面
• 1.3.3 本文的主要研究内容
• 第2章 S1、S2流面理论及奇点分布法
• 2.1 叶轮流体动力学设计理论
• 2.2 S1、S2流面的特点
• 2.3 奇点分布法
• 2.4 基于S1、S2流面的准三维反问题设计控制方程
• 2.4.1 基本假设
• 2.4.2 S2流面基本方程
• 2.4.3 叶片基本方程
• 2.4.4 方程组的封闭
• 2.5 本章小结
• 第3章 喷水推进泵通用程序设计及建模
• 3.1 喷水推进泵通用程序设计步骤
• 3.1.1 S2流面程序设计步骤
• 3.1.2 S1流面程序设计步骤
• 3.2 喷水推进泵点坐标的形成
• 3.3 基于程序的喷水推进泵三维造型
• 3.4 本章小结
• 第4章 喷水推进泵数值计算方法
• 4.1 控制方程
• 4.1.1 N-S方程
• 4.1.2 k-ε模型
• 4.2 基本方程的离散
• 4.3 算法
• 4.4 喷水推进泵的网格划分
• 4.5 边界条件的处理
• 4.5.1 进、出口边界条件
• 4.5.2 近壁面的处理
• 4.5.3 交界面的处理
• 4.6 本章小结
• 第5章 喷水推进泵流道设计及计算结果分析
• 5.1 五种不同流道形状的喷水推进泵流道设计
• 5.1.1 模型一流道设计
• 5.1.2 模型二流道设计
• 5.1.3 模型三流道设计
• 5.1.4 模型四流道设计
• 5.1.5 模型五流道设计
• 5.2 不同进口内、外径比的喷水推进泵流场分析
• 5.2.1 压力场分析
• 5.2.2 速度场分析
• 5.2.3 汽蚀性能分析
• 5.3 五种不同流道形状喷水推进泵外特性对比分析
• 5.3.1 模型一、模型二与模型三外特性对比分析
• 5.3.2 模型二、模型四与模型五外特性对比分析
• 5.4 设计工况点选型及变转速计算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢