吸噴結(jié)合式水翼水動(dòng)力及空泡性能的數(shù)值分析＊

何 新 王 超 張立新 任選其

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院1） 哈爾濱 150001）（海軍工程大學(xué)船舶與海洋工程系 武漢 430033）

減少船用水翼的阻力，提高其升阻比等對(duì)于改善船用水翼的水動(dòng)力性能具有重要意義.國內(nèi)外研究證明在水翼表面布置吸口和噴口能改善水翼的水動(dòng)力性能［1-2］.段會(huì)申等［3］結(jié)合抽吸氣轉(zhuǎn)捩控制和微吹氣湍流減阻控制的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法得出在同一雷諾數(shù)下，吸氣控制能使翼型總阻力減小約3%，而吸吹氣聯(lián)合控制可使翼型總阻力減小約16%，證明了吸吹氣控制技術(shù)是一種行之有效的減阻控制技術(shù).王超等［4-5］采用粘流方法分析了前緣微吸和尾部微噴單獨(dú)作用時(shí)對(duì)水翼水動(dòng)力性能影響.本文以NACA0012為參考計(jì)算原型，應(yīng)用流體仿真軟件FLUENT 進(jìn)行了系統(tǒng)地計(jì)算，分析了在船用水翼前緣布置吸口以及后緣布置噴口后，對(duì)翼型水動(dòng)力性能以及空化性能的影響.

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

選用NACA0012對(duì)稱翼型為計(jì)算模型，弦長(zhǎng)c為1m，整個(gè)流域采用“C”域，劃分網(wǎng)格也采用“C”形全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.計(jì)算域邊界條件的設(shè)置見圖1，整個(gè)“C”形邊界為速度入口，在計(jì)算水翼的水動(dòng)力性能時(shí)，右邊界為自由出口；在計(jì)算空泡性能時(shí)，右邊界為壓力出口.翼型表面為無滑移邊界條件.圖2為水翼表面吸口和噴口布置示意圖，其中：XLE=0.25m，L=0.5m，H=h=0.005m.

圖1 計(jì)算域

圖2 水翼表面吸口和噴口布置

1.2 數(shù)值求解方法

本文應(yīng)用FLUENT 軟件中自帶的kε-RNG和kw-SST 2方程模型進(jìn)行計(jì)算［6］，通過結(jié)果驗(yàn)證選擇合適的湍流模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，在計(jì)算有吸口的二維水翼時(shí)，由于來流速度與吸口處流速相差很大，所以要選擇低雷諾數(shù)修正.計(jì)算選用雙精度求解器，以提高計(jì)算精度，求解方程選用二階隱式求解，壓力和速度耦合采用Simplec算法，離散化方程全部選用二階迎風(fēng)格式，翼型表面滿足無滑移邊界條件.

在計(jì)算空化性能時(shí)，選用Mixture模型，由于計(jì)算易于發(fā)散，所以要將松弛因子適當(dāng)調(diào)小.同時(shí)，空泡模型采用基于輸運(yùn)方程的Ashok K.Singhal完整空化模型.

2 計(jì)算工況

2.1 水動(dòng)力性能計(jì)算工況

參數(shù)為：吸口寬度H、吸氣源與葉型前緣沿弦長(zhǎng)方向的距離XLE，吸水速度Uj，吸噴口在弦長(zhǎng)方向距離為L(zhǎng)，噴口寬度h，噴水速度Up，葉片弦長(zhǎng)c、來流速度U∞.

為了后續(xù)結(jié)果分析的方便，對(duì)吸氣量和噴水量進(jìn)行量綱一的量處理，可表示為

雷諾數(shù)計(jì)算公式為

表1 計(jì)算工況

2.2 空化性能計(jì)算工況

參數(shù)為：飽和蒸汽壓pv為3540Pa，水相和汽相的密度分別為1000和0.02558kg／m3，表面張力取值為0.0717N／m，空泡數(shù)及壓力系數(shù)表達(dá)式如下.

當(dāng)雷諾數(shù)Re=3×106、攻角α=6°、空泡數(shù)σ=0.85時(shí)，分別計(jì)算了母型水翼、單吸口水翼、單噴口水翼和吸噴結(jié)合式水翼4種形式下二維水翼定常與非定常流動(dòng)的空泡性能.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 湍流模型的確定

根據(jù)前面設(shè)定的工況，分別應(yīng)用kω-SST 模型與kε-RNG 模型，對(duì)二維翼型的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)（力矩中心取在據(jù)翼型前緣1／4弦長(zhǎng)處）進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較.

圖3 NACA0012翼型實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比

由圖3對(duì)比可以看出，2 種湍流模型所計(jì)算得的結(jié)果精度，都還可以接受，但是kε-RNG 湍流模型對(duì)翼型失速角的預(yù)報(bào)，沒有kω-SST模型靈敏，計(jì)算所得的失速角較試驗(yàn)所得的失速角偏大，而kω-SST 模型預(yù)報(bào)失速角比較精確，這是由于kω-SST 模型考慮了正交發(fā)散項(xiàng)，對(duì)近壁面能夠處理得很好，因此更適合于對(duì)流域減壓區(qū)的計(jì)算.通過觀察圖5 可以看出，在相同18°攻角情況下，kε-RNG 模型捕捉不到失速漩渦的生成與脫落，而kω-SST 模型能夠很好的捕捉到.所以后續(xù)計(jì)算采用kω-SST 模型進(jìn)行計(jì)算.

圖4 翼型周圍速度云圖

3.2 不同開口布置形式對(duì)水翼水動(dòng)力性能的影響

通過計(jì)算得出不同攻角下無吸噴、單吸水、單噴水和吸噴結(jié)合情況下阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升阻比，如圖5所示.

圖5 不同吸噴情況下的翼型性能曲線

由圖5可以看出在單吸口位置為弦長(zhǎng)25%時(shí)、單噴口位置為弦長(zhǎng)75%時(shí)、吸噴口位置為25%和75%時(shí)，均能使升力系數(shù)增加，阻力系數(shù)減小，升阻比增大.且升阻比從大到小排列為吸噴結(jié)合、單噴口、單吸口和無吸噴.在翼型吸力面施加定常吸氣后，吸氣口的前后有一壓力階躍，這是由于吸口周圍的低能流體被吸入吸口內(nèi)，使得吸口附近，特別是吸力面頭部的負(fù)壓絕對(duì)值有明顯的提高，而遠(yuǎn)離吸口的吸力面尾部和壓力面上的壓力分布基本無變化，從而使翼型的升力得以提高.

3.3 不同開口布置形式下的水翼定常空泡性能分析

圖6 不同吸噴情況時(shí)的空泡體積云圖

圖6為無吸口、單吸口、單噴口，以及吸噴結(jié)合時(shí)的空泡體積分布.從圖中可以看出，當(dāng)定常流動(dòng)穩(wěn)定后，單噴口和吸噴口的二維水翼空泡尺寸要大于有單吸口和無吸口二維水翼的空泡尺寸.其中單噴口的二維水翼空泡尺寸最大，有單吸口的二維水翼空泡尺寸最小.這是由于加上吸口，水流流入到水翼內(nèi)部，部分空泡會(huì)隨著水流被吸入到吸口內(nèi)，這樣就減少了空泡的尺寸，起到抑制空泡發(fā)生的作用；加上噴口后，水流從水翼內(nèi)部流出，加大翼型邊界層的擾動(dòng)，這將惡化翼型的空泡特性.由圖7為不同吸噴形式時(shí)上表面壓力系數(shù)曲線圖，從空泡尺寸角度分析與圖7的結(jié)論相符.綜合圖6和7可以得出，加上單吸口后的二維水翼的空泡性能得到了較明顯的改善，而加上噴口后，空泡性能有所降低.

圖7 不同吸噴形式時(shí)上表面壓力系數(shù)曲線圖

3.4 不同開口布置形式下的水翼非定?？张菪阅芊治?/h3>

對(duì)非穩(wěn)態(tài)空泡流現(xiàn)象的研究已成為分析空泡問題的重點(diǎn)［7-10］.空泡流的非穩(wěn)態(tài)周期性現(xiàn)象表現(xiàn)為空泡流的低頻震蕩和大規(guī)模的空泡云脫落.空泡在各自周期內(nèi)變化的形狀也不相同.對(duì)于無吸噴口的二維水翼，它的周期較短，計(jì)算時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)為0.0004s，一個(gè)空泡周期大約為1.08s；加上單吸口后，時(shí)間步長(zhǎng)也取0.0004s，一個(gè)空泡周期大約為6.72s；單噴口時(shí)的一個(gè)空泡周期大約為7.72s；吸噴結(jié)合一個(gè)空泡周期大約為4.39 s.無吸噴口時(shí)空泡變化的范圍較大，空泡在每一瞬時(shí)的形狀較復(fù)雜.加上單吸口后，空泡在一個(gè)周期內(nèi)變化平緩，空泡脫落過程緩慢，空泡變化范圍較小.加上單噴口后，空泡周期最長(zhǎng)且空泡變大.吸噴結(jié)合的空泡較單噴口時(shí)周期短，且空泡的脫落過程變緩，空泡變化范圍變小.圖8為升力系數(shù)周期變化規(guī)律，從4幅曲線圖比較可看出，與空泡周期變化云圖結(jié)論相符.

圖8 不同吸氣量時(shí)的升力系數(shù)曲線圖

4 結(jié) 論

1）在翼型前緣加上吸口，在翼型后緣加上噴口和吸噴結(jié)合工況下，都可使水翼的水動(dòng)力性能有所提高.

2）空泡性能改善最好的是在前緣加吸口的情況，加上吸口較好地抑制空泡變化范圍，降低空泡對(duì)水翼性能的影響.

3）三種翼型改變方式均使空泡發(fā)展周期增長(zhǎng)，抑制了單位時(shí)間內(nèi)空泡云的脫落，減少對(duì)水翼表面的剝蝕.

綜上所述，在水翼前緣加上吸口，對(duì)水動(dòng)力性能和空泡性能都有改善作用；在水翼后緣加上噴口，對(duì)水動(dòng)力性能有改善作用，但會(huì)降低其空泡性能；吸噴結(jié)合水翼的水動(dòng)力性能最好，但其空泡性能較弱于前緣抽吸.

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