喷水推进装置失速非稳定区流动机理及控制研究

随着喷水推进船舶向高速化和大型化方向发展，拓宽喷水推进装置高效稳定运行工况区的范围，使其具有优越的抗失速性能显得十分必要。本项目拟建立外特性、水压力测试和三维流动测试2套混流式喷水推进装置实验系统。基于装置外特性实验研究流动和几何参数对失速非稳定区范围的影响；运用高频动态压力测量技术测试喷水推进装置关键位置的动态压力，基于频谱分析和混沌理论研究失速非稳定区的影响频率、失速前兆和非线性特性。通过非定常计算优选出失速控制策略，运用高速摄影和3D-PIV技术捕捉失速非稳定区发生时的涡系结构。通过实验测试、数值模拟和理论分析研究喷水推进装置失速非稳定区流动机理及控制研究，力求从机理上把流动特性与失速产生、演化关联起来，建立失速判断准则和提出控制策略，进一步拓展和完善喷水推进装置失速理论。深入开展喷水推进装置失速研究，对保证喷水推进船舶安全高效运行具有重要的学术意义和工程应用背景。

随着喷水推进船舶向高速化和大型化方向发展，拓宽喷水推进装置高效稳定运行工况区的范围，使其具有优越的抗失速性能显得十分必要。本项目主要研究内容：.1、喷水推进混流泵流量非稳定区非定常叶片水脉动力规律及机理研究.研究表明叶顶间歇对非稳定区影响较大，当叶顶间歇减小时，扬程流量曲线上升。实验叶片水作用力的频谱分析显示了该区的旋转非稳定特性。结果表明流量扬程曲线与非定常作用力是互相关的，且旋转非稳定特性在非稳定工况区中起着关键作用。数值模拟了包括叶轮，导叶，进水流道，喷口等区域的喷水推进泵装置，分析了非稳定区流动特性。研究表明，在小流量工况下，推进泵装置存在明显的正斜率区域，即失速区；流动分析表明失速工况下推进泵内存在较大的旋转分离区；越靠近轮缘处，叶片脱流情况越严重；流量越小，叶轮轮缘处越容易出现脱流情况。叶顶间隙内的速度与整体水流前进方向相反，且随着流量的增大而增大；而在设计工况下，推进泵内的流态良好。.2、抑制失速隔板和栅条方法水动力机理研究.1）隔板抑制失速水动力机理是平顺推进泵进水侧的水流流态，使流道中流速分布更加均匀。隔板几何参数中高度参数变化影响推进泵水力性能，隔板高度越高，扬程下降越明显，对失速非稳定区有一定抑制效果。厚度参数变化对 工况范围内扬程影响不大，但对效率影响较大，厚度越厚，设计流量下效率越低。长度参数主要影响 工况范围内的水力性能，隔板长度越长，对应扬程越低，对失速非稳定区有一定抑制效果。位置和数量参数对扬程的影响与长度参数类似。2）栅条抑制失速的水动力机理是减弱推进泵进口水流的回旋趋势，从而改善推进的进水条件，最终抬高在小流量工况的扬程，消除了水力性能曲线中的正斜率区域。栅条各几何参数中栅条宽度参数影响推进泵小流量工况下扬程，栅条宽度越小，小流量工况下扬程抬升越明显，对失速非稳定区抑制效果明显。栅条深度参数影响推进泵小流量工况下扬程，栅条深度越大，小流量工况下扬程抬升越明显，对失速非稳定区抑制效果明显。栅条数量参数影响与深度参数影响类似。栅条长度参数对推进泵小流量工况水力性能影响不明显。.通过实验、数值模拟和理论分析研究喷水推进装置失速非稳定区流动机理及控制，从机理上把流动特性与失速产生、演化关联起来，建立失速判断准则和提出控制策略，进一步拓展和完善喷水推进装置失速理论。研究成果对保证安全全高效运行具有重要的学术意义和工程应用背景。