【摘 要】
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喷水推进是依靠喷出水流的反作用力获得推力的新型船舶推进方式,目前喷水推进泵普遍应用于高速高性能船舶中,其运行特性已经成为船舶推进领域关注的热点,特别是其噪声特性,已经成为船舶声隐蔽性研究的重点。本文以一台喷水推进泵为研究对象,采用试验测试与数值模拟计算相结合的方法,对喷水推进泵的运行特性进行研究,重点研究了喷水推进泵噪声主要激励源压力脉动以及内流诱导噪声的变化规律,并探索了基于喷水推进泵进水流道、
【基金项目】
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国家自然科学基金（51779108,52179084）；
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喷水推进是依靠喷出水流的反作用力获得推力的新型船舶推进方式,目前喷水推进泵普遍应用于高速高性能船舶中,其运行特性已经成为船舶推进领域关注的热点,特别是其噪声特性,已经成为船舶声隐蔽性研究的重点。本文以一台喷水推进泵为研究对象,采用试验测试与数值模拟计算相结合的方法,对喷水推进泵的运行特性进行研究,重点研究了喷水推进泵噪声主要激励源压力脉动以及内流诱导噪声的变化规律,并探索了基于喷水推进泵进水流道、导叶和喷嘴结构优化的内流噪声组合优化方法。本文的主要研究工作和取得的成果如下:1.较为详细的介绍了喷水推进技术的发展历程、喷水推进泵试验测试以及数值模拟等方面的研究成果、叶片泵内流诱导噪声研究方法、喷水推进泵噪声的研究进展以及优化设计研究现状,指出了喷水推进泵研究存在的不足以及发展趋势。2.搭建了喷水推进泵多性能同步测试试验台,对不同流量工况下喷水推进泵的运行特性进行试验测试,分析了外特性、压力脉动以及内流诱导噪声性能随流量的变化规律。试验结果表明:（1）随着流量的增大,喷水推进泵扬程和功率逐渐下降,效率先增大后减小;（2）喷水推进泵的出口压力脉动主频为导叶叶频,设计工况下压力脉动主频幅值最低;距离出口位置越远,压力脉动越稳定,主频处幅值越低;（3）内流噪声主频为导叶叶频,并包含轴频、轴频倍频、叶频倍频等特征频率,设计流量下主频处声压级最低。3.采用RNG k-ε湍流模型和DES混合模型对不同航速（10knot～40knot）下喷水推进泵内流进行了数值模拟,重点分析了水推进泵不同航速工况下推力、内流和非定常压力脉动的变化规律。数值计算结果表明:（1）随着航速的增大,喷水推进泵推力和扭矩均下降,但流量会增大;高航速下推进泵运行负荷增大;（2）喷水推进泵压力脉动主频均为叶轮叶频,并包含叶频倍频等特征频率,推进泵内部压力、速度和湍动能随着航速的增大而增大。4.采用声学有限元方法对不同航速工况下喷水推进泵内流噪声进行了模拟,重点分析了内流噪声声压级频域分布、总声压级以及近场噪声声功率分布。数值模拟结果表明:（1）不同航速下,喷水推进泵内流噪声主频为叶轮叶频或导叶叶频,并包含叶频倍频等特征频率;（2）随着航速的增大,内流噪声主频处幅值、总声压级和近场噪声声功率级均逐渐增大。5.基于喷水推进泵进水流道几何结构、导叶叶片数（5、6、7）和喷嘴整流栅结构的优化,探索了喷水推进泵性能的组合优化方法。研究结果表明:（1）进水流道的结构优化改进了内部流动的均匀度,使推力提高0.103%,内流噪声总声压级降低1d B,声压级频域分布更集中;（2）导叶叶片数的优化提升了喷水推进泵的推力,推力最大提升1.18%;7叶片导叶内流噪声主频处幅值下降1.8d B,总声压级降低0.15%;（3）喷嘴整流栅结构优化提升了喷水推进泵推力,改善了内部流动;使内流噪声总声压级降低0.5d B,声压级主频为叶轮叶频,且主频处幅值下降2.7d B;（4）组合优化方案使推力提升1.20%,内流噪声主频幅值下降3.3d B,总声压级下降2.9d B,实现了喷水推进泵推力性能和噪声性能同步优化。
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