泵类推进器进水流道效率测量

上节已经完成了流道出口安装高度（也即喷口中心高度）典型取值范围0.65～0.85和1.0～1.5内的平进口式进水流道参数化设计，并且是基于流道倾角这一单一几何参数。总体上看，决定进水流道是否选用的第一标准是流道效率，而满足流量这一基本要求直接包含在效率表达式中，其定义为

式中，Eout和Ein分别为流道出口和进口能量；Vpump为泵进口平均速度，亦为流道出口平均速度；Vin为流道进口平均速度；和分别为流道出口与进口总压。

依据喷泵系统总推进效率表达式

式中，t和ω分别为推力减额系数和伴流系数；ε和φ分别为流道进口能量损失系数和喷口能量损失系数；ηpump为泵水力效率；μ为喷速比，定义为μ=Vin/Vj，其中Vj为泵喷口平均速度。由式（3.34）可知，当常系数一定时，喷速比位于0.6～0.75范围内时喷泵系统的总推进效率最高。此时，用于匹配泵单元的进水流道的期望进速比IVR（IVR=Vship/Vpump，Vship为航速）位于1.3～1.8范围内。将进速比和喷速比变量代入式（3.33）可得流道效率为

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其中，不考虑喷口下倾角时，喷口中心高度hj与流道出口中心高度Dh相同。泵选型设计完成后，喷速比、喷口面积、喷口平均速度均确定，则流道效率近似反比于进速比的二次方。当进速比为1.8时，设计航速通常达到50 kn，此时因管道内流动分离和空化产生，流道效率通常难以保证。因此，众多研究机构在单独试验测量流道的流体动力性能时，通常将进速比IVR作为关键控制参数，以分析流道出口轴向速度分布、流道壁面压力分布、空化形态以及空化初生时机等变量随进速比的变化规律，以定量描述流道性能。

此外，从式（3.34）可以看出，流道进口的能量损失系数会直接拉低总推进效率。鉴于准确确定进口能量损失系数的前提是捕捉虚拟流管来真实获取进入流道的水流截面，如图3.32所示，无论是采用试验测量还是CFD计算都难以实现，因此该系数多用于理论分析、建模仿真或者是在泵选型设计时直接给定为经验系数。CFD计算时可以在结果后处理中直接提取流道真实进口面和出口的总压，进而求取流道效率。根据经验和ITTC会议推荐，真实进流面通常取在进口切点A9上游一倍的出口直径处，真实进流面的垂向范围可用半椭圆来限定。需要注意的是，采用CFD计算进水流道的流体动力性能时，为了尽可能合理地与循环水槽试验测量时相对应，在上游面设置为速度进口边界条件后，船底下游面建议设置为等静压力出口边界条件，速度分布为求解量，并且流道出口设置为流量出口边界条件，该流量匹配泵需求流量，且出口截面的非均匀速度分布为求解量，如图3.33所示。

图3.32　某进水流道虚拟流管面

图3.33　某进水流道流体性能CFD计算时离散网格及进出口边界条件