射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟.pdf
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1、2023 年 8 月第 44 卷 第 8 期Aug.2023Vol.44 No.8推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY2205048-1射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟*周盈盈,陈榴,罗佳巍(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 200093)摘 要:高航速时喷水推进器进流导管背部流动发生分离,加剧了喷泵的进流畸变,导致推进性能下降。本文提出在进流管上布置射流旋涡发生器(VGJ)抑制进流管的流动分离,并通过数值模拟分析了射流孔位置、射流角度、射流流量等射流参数对控制效果的影响。经参数优选后,布置在背部流动分离点前的VGJ、射流角度10、射流流量是
2、出流流量的2.3%时,进流管出流的不均匀度系数、旋流度、总压畸变指数分别降低35.18%,60.62%,46.42%,总压恢复系数提高了18.07%。VGJ的流动控制作用明显,工况适应性较好,为喷水推进器采用主动流动控制提升推进性能提供理论依据。关键词:喷水推进器;进流管;流动分离;主动流动控制;射流旋涡发生器中图分类号:V233.2;U664.34 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)08-2205048-08DOI:10.13675/ki.tjjs.2205048Numerical Study on Suppression of Intake Flow Separati
3、on Using Vortex Generator JetZHOU Ying-ying,CHEN Liu,LUO Jia-wei(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract:Flow separation occurs on the ramp wall of a waterjet propulsor intake duct at high navigation speed,which aggravat
4、es the inflow distortion in the pump face and lowers the propulsion performance.In this paper,vortex generator jet(VGJ)was arranged on the intake duct to suppress the ramp flow separation.The infection of jet parameters of hole location,inclination angle and mass flow on the control effect were stud
5、ied by numerical simulation.Through sequential parameter optimization,the VGJ was arranged to be located before the ramp separation point with the inclination angle of 10 and the jet mass flow was 2.3%of the outflow.The outflow nonuniformity coefficient,swirl degree,and total pressure distortion coe
6、fficient of the intake duct were reduced 35.18%,60.62%,46.42%,respectively.The total pressure recovery coefficient increased 18.07%.The VGJ configuration was proven to be effective over a wide IVR range.This paper validates a successful technique of active flow control to improve the waterjet propul
7、sion performance.Key words:Waterjet propulsor;Intake duct;Flow separation;Active flow control;Vortex generator jet*收稿日期:2022-05-16;修订日期:2022-07-21。基金项目:国家自然科学基金(52006147;52276034);喷水推进技术重点实验室基金(6142223190102)。作者简介:周盈盈,硕士生,研究领域为船舶喷水推进、流动控制。通讯作者:陈榴,博士,副教授,研究领域为叶轮机械气动优化设计。E-mail:chen_引用格式:周盈盈,陈榴,罗佳巍.射流
8、旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟 J.推进技术,2023,44(8):2205048.(ZHOU Ying-ying,CHEN Liu,LUO Jia-wei.Numerical Study on Suppression of Intake Flow Separation Using Vortex Generator Jet J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(8):2205048.)推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2205048-21 引 言喷水推进器具有操纵性能好和抗空化特点,适合高速航行舰船的动力装置1,推进性能优于普通
9、螺旋桨。提高喷水推进器推进效率的研究集中关注提升推进泵的水力性能,目前先进设计的单泵效率可以达到 90%2,再继续提高喷水推进效率,主要是通过减少管路系统的水力损失。低进速比(IVR)(5)2.3 网格无关性全计算域均采用结构化网格,进流管及射流管近壁面使用 O 型网格剖分,在船底壁面设置边界层网格,对于流动变化剧烈的区域进行加密处理,总网格数量约为 523 万。进流管第一层网格节点与壁面的间距为 10m,增长率为 1.1,y+2。图 2 为计算工况下原型进流管(ORG)的网格无关性验证,随着网格数量的逐步增加,进流管出口截面的质量流量与不均匀度系数变化较小,以 818 万网格模拟结果为基准,
10、所算网格的出口截面质量流量与不均匀度系数最大偏差值分别小于 0.06%,3.05%,可认为模拟计算结果与网格无关,考虑精度与成本,最终选 用 第 三 套 网 格 数 量。网 格 拓 扑 结 构 如 图 3所示。2.4 计算方法验证采用与本文尺寸相同的原型进流管的实验结果,验证数值计算方法的可靠性。实验数据在低速风洞中获得,计算工况为 IVR=0.5。图 4 给出了实验和数值计算所得的进流管斜坡侧压力分布情况24,由图可知,压力分布趋势一致,沿着流向斜坡侧壁面压力逐渐增大,计算结果与实验结果吻合较好,尤其在倾斜直管段及弯管段,两者之间误差小于 5%,可以认为所采用的数值计算方法合理。图2网格无关
11、性验证图3S2位置处网格拓扑结构推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2205048-43 结果分析与讨论3.1 射流位置的影响射流对喷水推进进流管流动分离的抑制效果与射流孔的位置参数密切相关。本文考虑了六个射流孔位置,如图 5所示。进水管出口截面处 X 轴坐标为0,根据原型进流管中纵剖面的压力分布情况确定 X=0.26m 位置为流动分离的起始点,标识为 S0;依次考虑了距离分离点流向距离为 0.5D,1D,1.5D 的三个位置,分别标识为 S1,S2,S3;SM 为流动分离区中部孔,另外考虑一孔安装在船底,距离分离点横向距离为2.5D,标识为 S4。射流角度定义为射流管与斜坡壁面切线方
12、向之间的俯仰角,参考文献 13,初始射流角度定为 30,且不考虑偏航角。射流速度比记为Rjet,给定初始 Rjet=1.5。图 6 表示射流孔位置对进流管性能指标的影响。在六个射流位置中,综合四个指标,S1 的流动控制效果最好,出流的和 DC60 是最低的,是次最高,尽管不是最低。当射流孔远离分离区至 S4位置,四个指标几乎恢复到 ORG 的水平。由此可见,射流点在分离区内或起始点,不能发挥作用。如果射流点在分离区前的一个短距离内,射流可以形成 VGJ的效果,输运高动量流体进入分离区,从而抑制分离。当射流远离分离区后,例如在 S4,由于流动耗散,射流形成的 VGJ 到分离区已经失去了作用。因此
13、,有效的射流应该在分离点前一定的位置上。3.2 射流角度的影响射流管与斜坡壁面间的初始俯仰角为 30,模拟计算结果显示,较大的射流角度导致在任意射流条件下,产生的流向涡由于惯性作用冲向进流管中部,未能经过斜坡侧的流动分离区,流动控制效果不明显。李清华等25在研究超声速压气机壁面吹气时表明,吹气缝与壁面夹角应该尽量小。但因射流管与斜坡壁面间俯仰角过小时,存在网格划分困难的现实问题,所能实现的最小射流角度为 10。表 1 比较了 IVR=0.5 工况,射流角度对进流管性能的影响。各角度射流均降低了和 DC60,提高了总压恢复系数,20射流略优于其他两个角度。但是 较 大 角 度 射 流 增 加 了
14、 进 流 管 出 流 的 旋 流 度。Johnston 等10-11分析了这种加强的旋流,是由射流与主流之间“卷吸”形成“肾型涡”导致的,这也是 VGJ具有控制流动、抑制分离能力的机制。减小射流角度,射流贴近壁面,VGJ 变成了壁面边界层吹吸。Ng图4进流管斜坡侧压力分布24图5射流孔位置示意图图6进流管整体性能参数随射流孔位置变化射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟第 44 卷 第 8 期2023 年2205048-5等13在 S型弯管上,就验证对比了壁面边界层吹吸与VGJ 具有相近的作用。因此,综合四个指标,射流角度为 10时,进流管的整体性能参数为三个方案中的最优。3.3 射流流量
15、的影响一定管径的射流强度与射流的质量流量成正相关。在进流管斜坡侧壁面 S1 处开设射流孔,以射流角度 10引入高能量流体,比较射流流量分别为出流流量的 0.77%,1.53%,2.30%的性能,对应射流速度比 Rjet=1,2,3。随着 Rjet增大,高湍动能射流流体与周围流体之间速度梯度变大,在速度断面处形成波动,失稳后发展成旋涡,通过卷吸掺混作用,向低动量流体传递能量。图 7 给出了进流管中纵剖面合速度云图及二维流线图。由图 7(a)可知,沿着斜坡上壁面流体减速,在逆压梯度与粘性力的共同作用下发生流动分离,形成了大面积回流区,且流线较为紊乱。速度云图显示随着射流质量流量的不断增加,分离区面
16、积逐渐减小,流线分布更加均匀流畅,Rjet=3 时相较于原型进流管,流动控制效果已十分明显。图 8左半部分为进流管出口截面轴向速度云图,当射流速度相较于主流速度较大的情况下,出口截面的轴向速度分布更加均匀,速度梯度更小,流动分离改善效果更佳。Rjet=3 时射流强度大,高能流体发展距离较远,进流管出口截面中部高速区与之相对应。从速度矢量可以看出,原型进流管出口截面顶部存在两股反向旋转的涡流,随着射流速度比逐渐增大,顶部旋流强度逐渐减弱,流向的均匀性有所提升,Rjet=3 情况下的均匀性达到最佳状态。右半部分为 IVR=0.5 工况下,射流孔位于 S1、射流角度 10时,不同射流流量情况下进流管
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