喷水推进器的系列化设计及其空化性能的相似性和水力性能的尺度效应研究

喷水推进器的水动力性能受来流影响比螺旋桨小，这为实现系列化设计提供了可能。本项目拟对喷水推进器系列化设计的方法以及预报每种设计方案推进性能所涉及的空化性能相似性和水力性能尺度效应等关键问题开展研究。（1）结合泵相似理论和喷水推进原理提出基于水力性能优良的母型泵设计能满足各种船舶推进要求的一系列喷水推进器的方法。（2)进行空化模型适用性研究，选取和完善适用于喷水推进泵空化性能预报的空化模型，对喷水推进泵在空化状态下的外特性进行数值计算。（3）根据计算结果分析喷水推进泵空化性能的相似性和水力性能的尺度效应，提出从部分工况离散的三维外特性数据有效地扩充至所有尺度和所有工况的计算与插值方法，实现以最少的数值计算量来获得各种设计方案推进性能的快速、准确预报。解决上述关键问题有助于加快喷水推进产业的发展，有关喷水推进泵空化性能数值预报的研究成果将进一步扩宽船舶推进器空化性能的研究范畴。

本研究以高速高性能船舶广泛使用的喷水推进器为研究对象，对其系列化设计方法、推进性能理论预报方法、以及性能预报过程涉及的水力性能和空化性能的尺度效应等问题开展了深入研究。.（1）阐述了喷水推进器系列化设计的原因和所需条件，提出了系列化设计的方法。以性能优良的某喷水推进器为基准，从改变喷口面积、微调叶轮功率、优化进水流道形状等措施入手得到该功率等级的系列喷水推进器，来满足各种船舶多样化的推进需求。用相似缩放并考虑尺度效应来得到其它功率等级的系列喷水推进器。.（2）结合喷水推进理论方程和喷水推进泵的水力性能，建立了喷水推进器考虑空化工况的推力特性计算模型，可用于快速求取每一型喷水推进器在各种工况下的推进性能。泵的水力性能基于CFD手段求取。.（3）基于三元反向设计方法设计了一型喷水推进缩比模型泵，在循环水洞试验台测量了数个典型工况的水力性能和空化性能数据，用于校验和修正求取喷水推进泵性能数据的CFD计算模型。.（4）研究了喷水推进泵性能预报的CFD计算模型，分析了湍流模型等因素的影响以及与试验数据的比较结果，选用大网格数的单通道网格模型、SST k-w两方程湍流模型、Zwart-Gerber-Belamr空化模型以及基于稳态计算并修正至瞬态的计算方法来求取喷水推进泵的水力性能和空化性能。.（5）采用上述CFD模型计算了喷水推进泵的性能。分析了同一尺度下转速变化对扬程系数和功率系数的影响，并采用线性代数公式进行修正。分析了尺度效应对泵水力性能和空化性能的影响，并采用对数公式对扬程系数和功率系数进行修正。.（6）最后，以2m直径的某喷水推进器为例开展了推进性能计算。通过研究认为，瞬态与稳态计算、转速效应和尺度效应等因素对推进性能曲线空化范围的影响可忽略，对推力大小的最大影响因素是尺度效应。缩尺比6.7时的尺度效应对推力的影响可达2.5%左右。.本研究对喷水推进器的系列化设计与精确的性能预报方法进行了探索研究，为喷水推进器的产业化提供了理论基础和技术支持。