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本研究阐明了进流方式与喷水推进泵内流动形态的内在关联，揭示了进流方式对旋转失速特性的影响。小流量工况下，进水流道几何结构扰动效应基本消失，高速逆流是主要扰动诱因，弯管进流下泵内流态、扬程均好于直管进流。直管进流下，喷水推进泵在经历一段时间低频高振幅单失速核扰动后，逐渐转捩为高频多失速核的周向扰动，泵内失稳流态进一步加剧。弯管进流下，旋转失速始终保持高振幅低频扰动，呈现出单失速核在流道内周向传播的瞬态特性。
中文题目：弯管进流竟消弱喷水推进泵旋转失速？
英文原题：Effect of inlet elbow on rotation stall in waterjet propulsion pump
通讯作者/第一作者：李 伟，江苏大学
关键词：喷水推进泵；进流方式；旋转失速；流动结构；压力脉动
背景介绍
喷水推进装置作为一种新型船舶动力装置，正逐步替代螺旋桨成为船舶航行的核心动力元件。然而，由于喷水推进装置特殊的弯管进流方式，以及几何结构的限制加之驱动轴扰动效应，进水流道内部必然产生大量流动分离，并形成周向分布不对称的非均匀进流。非均匀进流不仅导致喷水推进泵发生流动失稳，诱发性能下降，推力不足，还会导致各叶片载荷分布不均，加剧振动和噪声。
研究成果
李伟教授团队对不同进流方式下喷水推进泵的能量特性及内流响应开展研究，分析了不同工况进流方式与喷水推进泵水力性能及内流响应的内在联系，重点研究了喷水推进泵失速涡的非定常空间结构和时间特征，揭示了弯管进流对旋转失速尺度、强度、传播方式等特性的影响（图1）。
图1 不同入流条件下喷水推进泵旋转失速特性
（1）进流方式对喷水推进泵性能的影响
研究发现弯管进流对喷水推进泵性能及流动特性产生较大影响（图2）。大流量工况下，弯管进流不均匀度极高，喷水推进泵内涡旋激增，扬程下降显著。而小流量工况下，泵内失稳流动有所缓解，扬程、效率皆略高于直管进流。
图2 不同进流方式下混流式喷水推进泵性能曲线：（a） 不同进流方式下性能曲线；（b） 扬程局部放大图。
（2）进流方式对失速涡形态影响
弯管进流下喷水推进泵性能曲线同样呈现正斜率特性（图4）。但在驼峰区内，失速工况下扬程下降幅值和失速涡强度都小于直管进流，不稳定流态较直管进流有所减弱。
图3. 基于Q准则的涡流结构分布
（3）进流方式对旋转失速瞬态传播特性影响
直管进流下，喷水推进泵在经历一段时间低频高振幅单失速核扰动后，逐渐转捩为高频多失速核的周向扰动，泵内失稳流态加剧。弯管进流下，旋转失速始终保持高振幅低频扰动，呈现出单失速核在流道内周向传播的瞬态特性（图4）。
图4 不同进流方式下失速工况频谱分析：（a） 直管进流，傅里叶变换；（b） 弯管进流，傅里叶变换；（c） 直管进流，小波变换；（d） 弯管进流，小波变换。
未来方向
喷水推进泵在启航、加速、转弯、倒车和部分喷水推进器工作时，极易发生空化现象。同时，受到船体边界层、弯管流动以及驱动轴扰动影响，诱发喷水推进泵更早的空化发生并进入非定常空化模式。此类复杂空化问题一直是学术界和工程界的研究热点和难点。下一步将重点开展喷水推进泵空化湍流结构的生成演化及其耦合作用机制研究。
主要作者简介
李伟 江苏大学教授，博士生导师。中石化重点实验室主任，国家水泵工程中心副主任。主要从事流体机械（泵）理论与节能技术研究，主持国家自然科学基金重点项目等，获国家科技进步二等奖1项，第一完成人获教育部科技进步二等奖2项，发表SCI论文102篇。入选全球前2%顶尖科学家，兼任国家流量仪表评价计量测试联盟副主席等。
引用本文
Wei Li, Shuo Li, Leilei Ji et al., Effect of inlet elbow on rotation stall in waterjet propulsion pump. Fundamental Research, 4(4) (2024) 898-906.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822003466
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