喷水推进研究综述

SHIP ENGINEERING VOl、28 No．4 2006 船 舶 工 程 总第 28卷 ，2006年第 4期 喷水推进研究综述 刘承江，王永生，丁江明 (海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033) 摘 要：该综述分三部分介绍了当今世界喷水推进技术研究的前沿情况：第一部分是喷水推进 器的理论研究、试验研究和CFD的应用；第二部分涉及喷水推进装置的模拟仿真、航行试验、喷水 推进器与船体的相互作用，以及喷水推进装置的总体 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ；第三部分则是几种新型喷水推进器及装 置的介绍． 关键词：船舶；综述；喷水推进；理论研究；试验研究；计算流体力学 中图分类号：U664．34 文献标识码：A 文章编号：1000-6982(2006)04—0049—04 Overview of study of waterjet propulsion Liu Cheng-j iang，Wang Yong—sheng，Ding Jiang—ming (College ofNaval Architecture and Power，Naval Engineering University，Wuhan 430033，China) Abstract： The paper is comprised of three sections，giving an introduction of the frontier situation of waterjet technology study．The rst section presents the theoretical study,experimental study and the application of computational fluid dynamics．In the second section，simulation of waterjet propulsion system，sea trial interaction of the waterjet and the hull and the general design of waterjet propulsion installations are discussed~Final~,several new types of waterjets and waterjet propulsion systems are inrtoduced． Key words： ship：overview,"waterjet propulsion,"theoretical study：experimental study computational fluid dynamics(CFD) 0 前言 喷水推进是有别于螺旋桨推进的一种特殊的船 舶推进方式．国际上有不少专门组织、机构、科研单 位对喷水推进器、喷水推进装置以及影响喷水推进 性能的各种因素做了大量的研究和试验，使喷水推 进技术近几十年来有了突破性的发展．喷水推进已 被广泛采用在高性能舰船上．为满足特殊用途和高 性能需要，一些新型喷水推进器及装置也相继出现． 国际喷水推进会议是由英国皇家造船工程学会 组织的专门交流近期世界各国喷水推进研究成果的 国际性学术会议，分别于 1994年、1998年、2001年 和 2004年召开，共四届．四届国际会议的论文集基 本涵盖了各国近年来喷水推进技术的研究和进展情 况．本文主要通过研读这四本论文集，并结合国外喷 水推进研究机构、公司和大学同时期发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的喷水推 进英语文献，力图全面综述当代世界喷水推进技术 的研究工作和成果，使读者大概了解当今喷水推进 技术研究的前沿情况． 1 喷水推进器 1．1 理论研究 喷水推进器设计方法和手段不断得到更新和发 展．除现在还在使用的一维 (1．D)和二维 (2．D) 理论外，三维 (3．D)理论在近期已有长足发展． 1．1．1 1．D理论 1．D理论[】，2]可以确定流体特性 (压强或速度) 在指定流道 (流线或平均线)轴向上的变化，并求 得相关的物理量 (如能量、动量)，而不考虑法面 上的变化．应用 1．D理论可以大大简化喷水推进泵 设计中的初步计算．很多学者只使用 1．D流动假设 收稿日期：2005．08．08；修回日期：2006．07．10 作者简介：刘承江 (1981．)，男，博士研究生，主要从事船舶喷水推进性能的研究 ． ． — — 49．．—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 和无量纲量，像能头和流量系数、比转速和空化数 等，就求出了喷水推进的性能参数． 1．1．2 2．D理论 2一D 理论l1l2】是流场 的平面表述．它可以表述流 道或叶栅图中的流线，或叶片之间的平均流线．2一D 理论和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 工具主要有流线曲率方法 (SCM)、空 化叶栅模型和平均流线模型． 流线曲率方法 (SCM)是基于定常流线 的运 动方程以解决 2一D或轴对称问题的解法；空化叶栅 模型基于应用复变量来解决势流问题，其优点在于 可以方便地设计出结构紧凑、重量轻的喷水推进器； 平均流线设计方法是基于角动量控制体积方法，通 常应用于亚空化叶片剖面或空化诱导轮叶片的亚空 化区段的设计中． 1．1．3 3一D理论 非定常 3一D 势流理论l1 】是一种用来求解通过 整个喷泵形体的非定常3一D势流的非常有效的数值 计算方法，用此方法可同时计算出通过每个叶轮通 道 (通常各个流道彼此不同)及泵壳的瞬时流动． CFD—ACE[IJ是先进的具有通用功能的 3一D CFD 程序．该程序对纳维一斯托克斯方程在时间和空间上 进行积分使用的是有限体积离散方法．CFD—ACE可 以对典型的喷水推进系统中的两种流动系统 (推进 器进口通道中的流动和在诱导轮+喷射轮中的单相 与空化流动 )进行分析，以描述它们的流动和性能， 还可以借助混合面 (翼)设计方法，进行转子．定子 联合系统分析． 升力面理论方法[tl不仅可以作为单独的设计方 法，也可以和粘性流解法相耦合，进行有效流场的 迭代计算．升力面理论和粘性流解法的耦合，为叶栅 有效伴流的迭代计算提供了快捷的处理手段：它和 边界元 (面元)法都可以有效分析叶片中流体的二 维和三维流动． 1．2 试验研究 1．2．1 喷水推进混流泵的性能分析 Jong．Woo Ahn等研究人员【]】为检验所设计的 混流泵而使用泵的测试装置进行试验和分析，以验 证 CFD预报的性能，并进行了空泡水简试验，测量 结果与 CFD软件预报的结果吻合 良好． 1．2．2 用于喷水推进泵设计和分析的耦合升力面和 RANS方法的试验验证 T E Taylor和 R W Kimball l4J应用耦合升力面 和 RANS方法设计了一个新的喷水推进泵，同时制 造了一个泵的模型，并在麻省理工学院船舶水动力 试验室新设计的喷水推进泵试验台上进行了测试． 试验可沏0得泵在某转速时的性能曲线，并且通过测 量每～工况下的力矩、流量、静压升和转速，可以 生成泵在整个工作范围的性能曲线． 1．2．3 汤姆芬克空泡水筒试验 汤姆芬克空泡水筒的喷水推进环路试验装置[ 】 主要用于喷水推进器平进口流道的测试，可以对实 尺度性能进行精确预报．早期的高速水翼艇曾通过 试验来研究毕托管型喷水推进进口的性能．近来， Verbeek和 Butlen，Hu和 Zangeneh提出 一些关于平 进口性能的研究：作为 AMECRC喷水推进研究项 目的一部分，Robert和 Sell[纠主持了平进 口流动的 数值研究，试验中，压力探针可用于观测进水流道 流动的显著特征，包括唇边入射角、分离和空泡、 斜面分离和进流面的非均匀性，结合流动 目测方法 可进行定性的研究． 1、2．4 边界层对平进 口喷水推进装置吸水的影响 J L Robert和 G J Walker做了关于 “边界层对 平进 口喷水推进装置吸水的影响”的试验研究，试 验在闭式循环风洞中进行l6】．试验结果表明，针对这 种形式的喷水推进器，目前习惯的设计方法可能会 导致对推力的明显低估． 1．3 CFD的应用 上世纪 90年代大量计算流体力学 (CFD)商用 软件的出现，为喷水推进器的设计和研究提供了一 种强有力的工具．CFD 程序可以为具有复杂几何和 物理特性的船舶推进系统提供合理精确的解 法．CFD应用的典型例子有【1I7J美国海军湾区项 目中 泵的设计、用升力面理论与RANS计算相结合的方 法来设计水泵和三维逆向设计方法． 2 喷水推进装置 各国对喷水推进装置的研究主要有推力、功率、 效率等的理论计算、喷水推进性能的仿真研究、装 置模型试验和海上试验、喷水推进器与船体的相互 作用和喷水推进装置的总体设计和选配等． 2．1 理论计算与模拟仿真 2．1．1 理论 ‘算 理论计算是指用物理定律和专业知识推导而得 的公式，进行喷水推进器性能参数的计算． KaMeWa方法是建立在动量定律和基本的船 舶推进专业知识的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 方法基础上的计算喷水推进 器功率的方法 】．其核心是创建了与推力减额相类 似的相关因子方法．如果计算过程符合实际，那么这 种相关因子方法可使预报中的不准确性减到最小． 喷水推进系统效率为IID=PE／ ，其中P。是自 一 50— 维普资讯 http://www.cqvip.com 推进轴功率，它是泵总水头的增量：尸F是与 自推进 相同流动条件下的船体有效功率，由动量定理算得． 把 P。和 尸F联合在一起考虑，推进效率可表示为： 77D=l一轴损失+轴增益一管道损失一泵损失一提 升损失【 ． 2．1．2 模拟仿真 推进系统仿真模型可以分析喷泵性能、船舶推 进性能、操纵性、机动性和控制系统性能等．意大利 的M Altosole等研究人员【 ]开发了一种仿真模型用 来评估船舶的加速性能和从静止到滑行状态所需时 间．利用 Matlab／Simulink软件建立的仿真模型采用 模块化结构，推进系统各部件都由独立的模块表示． 此模型既可研究单个部件的动态性能，又可研究整 个推进装置的稳动态性能． 海军 工程 大学 的丁江 明等建立 了一个 基于 Matlab／Simulink软件的喷水推进双体船回转操纵性 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型⋯．它与其它回转操纵性建模与仿真研究 的不同之处在于，此模型是船体回转运动数学模型 和喷水推进装置数学模型的完整集成．设计工况回 转性能的预报与实船测试相比较，误差只有 6％． 英国 BMT开发出一种评价各种推进装置的方 法——Pcool[12]．这种方法可以建立不同尺寸的喷水 推进器的模型，模拟船舶推进的稳动态特性． 2．2 航行试验 R．Svenssont8】等研究人员在第二届国际喷水推 进会议上公布了与当时世界上最大的单体快速渡轮 MDV3000推进性能有关的部分海试结果．由操纵试 验结果可 以得出，内侧助推器对回转直径的影响很 大，而所需要的倒航功率对急停时的纵距影响很小． 该船的操纵性也证实了喷水推进系统甚至在苛刻的 条件下也具有优良性能． 三菱重工开发了 5000马力级喷水推进装置 MWJ．5000A．该装置的性能通过车间试验和海上试 验得到验证 为了估算喷水推进装置的性能，用 1／3 缩尺模型进行试验．通过车间试验验证其性能和功 能．然后，进行海上试验，以最终确认装在实船上的 喷水推进装置的性能和功能【J引． 2．3 喷水推进器与船体的相互作用 Svensson曾就平进口的喷水推进器导致船尾静 压升高这一现象进行过研究；Pumell曾采用宽进口 来研究平进口的形状对舰船性能的影响；近期， Terwisga对船体、进VI和射流之间复杂的相互作用 进行了研究，而且采用喷水推进器来驱动滑行船体 进行模型试验，其主要 目的是加强对泵．船相互作用 的理解【l ． 2．4 喷水推进装置的总体设计 喷水推进装置的总体设计要考虑的因素很多， 多数情况下是各种制约因素的一个最优折衷．目前 世界上典型的喷水推进装置配置的形式有全喷水推 进和喷水推进+螺旋桨推进两大类．喷水推进+螺旋 桨推进的方式中既有低速时用螺旋桨推进，喷水推 进只用于加速和高速及紧急机动过程这样的设计， 也有低速时采用喷水推进以提高舰艇低速时的机动 性，正常航行仍采用螺旋桨推进这样的设计． 有关喷水推进装置其它方面的研究还有喷水推 进的操舵与倒航装置、喷水推进装置的剥蚀、腐蚀 控制和维护，以及喷水推进的噪声和降噪等． 3 新型喷水推进器及装置 近年来，俄罗斯、美国等国家设计出一些能够 满足特殊要求和具有特殊性能的新型喷水推进装置 因篇幅原因这里介绍几种有代表性的、最新研制的 新型喷水推进装置． 3．1 通气式喷水推进器 俄罗斯Krylor研究机构研发了通气式喷水推进 器[15]．该推进器有较大沉深并装有防护罩，从而避 免了因空气吸入而使推力下降的现象． 3．2 轴流诱导轮喷水推进器 美国设计的用于超高速海运三体船的 (80～ 100)Mw 成套喷水推进装 J采用的是轴流诱导 轮喷水推进器．因这种喷水推进器能在较高的吸入 比转速下运行，故具有比混流式喷水推进器更小的 进口直径，更轻的重量；另外，它具有在小于设计 航速时吸收全部功率的能力，故可以在低速时实施 全功率运行，具有优 良的加速性能． 3．3 新型舷外式喷水推进装置 Bil1．Lawson主持研发了一种用于船长小于 30 英尺的救生船用舷外式推进装置I"J．这种装置能显 著提高系统可靠性和安全性．由于该推进器装在玻 璃纤维箱体内，故能使水流平滑地进入叶轮而不影 响船底水流及流速．试验表明，新型舷外式推进装置 使船舶在低速航行时，甚至在重载、恶劣海况下也 具有极好的机动性． 3．4 吊舱式 (或导流罩式)喷水推进器 吊舱式喷水推进器【J 8J是一种比转速高达 2500 的轴流泵，比喷射式喷水推进器具有更高的推进效 率．它与传统的导管螺旋桨极为相似．韩国釜山国立 大学的 M．C．Kim 等人员为两栖轮式车辆设计了这 种吊舱式喷水推进器．该推进器能在低速时产生大 推力，可 以提高机动性并帮助车辆登岸；当车辆以 一 5l一 维普资讯 http://www.cqvip.com (5～12)km／h的低速航行时，所需功率很小，而 且不产生空泡． 4 应用与展望 由于喷水推进诸多优点以及最近 20年来的飞 速发展，喷水推进技术在现代各国船舶中已得到广 泛应用，在未来的应用范围和数量将进一步扩大． 目前，拥有喷水推进舰艇的国家有美国、日本、 俄罗斯、意大利、芬兰、新加坡、南非、菲律宾、 科威特、瑞典等． 喷水推进装置已从发展之初只适用于小型高速 船发展到现在用于数千吨的大型舰船．采用喷水推 进的民用高性能船舶有普通高速双体船、穿浪船、 三体船、单体船、侧壁式气垫船、高速货船和小水 线面船等；军用舰船有高速攻击艇、海军高速运输 舰、护卫舰和轻型护卫舰、两栖装甲车辆等． 未来在高速船领域内，对喷水推进装置的需求 必将扩大，而增大功率，提高效率，减轻重量，将 成为喷水推进装置的发展趋势．随着整个系统的进 一 步优化，喷水推进将会更广泛地应用于各类船舶． 参考文献： [1]J L Allison，Changben．Model tools for waterjet pump design and research advances in the field[Z]． International Conference on Waterjet Propulsion II， London，UK,1 998． [2]J L Allison．Marine waterjet propulsion[A]．Proceeding ofSNAME[C]，1993，10l：275—335． [3】 Jong—Woo Ahn，Ki—Sup Kim，Young—Ha Park，et a1． Performance analysis of mixed—flow pump on waterjet [A]．Proceeding of the Fourth Conference for New Ship and Marine Technology，New S-Tech 2004[C]： 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