泵噴推進(jìn)器在敞水與艇后的激勵力計算分析

(1.上海交通大學(xué) a.振動、沖擊、噪聲研究所；b.機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室；上海 200240；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205)

目前，泵噴推進(jìn)器水動力特性的研究主要有試驗測量[1-2]與仿真預(yù)報[3-7]兩個方面。國內(nèi)外學(xué)者對水動力及激勵力特性研究對象多為單個泵噴推進(jìn)器[8-9]，對水下航行體-泵噴推進(jìn)器耦合模型的數(shù)值仿真計算也聚焦于速度、壓力等流場特性[10]，但缺乏對于潛艇-泵噴推進(jìn)器耦合模型的表面承壓分析和對單個葉片及整體葉片的激勵力特性分析。為此，考慮建立潛艇-泵噴推進(jìn)器耦合模型，分析潛艇-泵噴推進(jìn)器耦合模型各部件表面承受壓強(qiáng)與受力關(guān)系，對比敞水(無艇體)和艇后(有艇體)伴流狀態(tài)下泵噴推進(jìn)器單個定子葉片與整體定子葉片、單個轉(zhuǎn)子葉片與整體葉片各方向的激勵力特性異同，從機(jī)理上探究激勵力差異的原因，為艇槳一體的泵噴推進(jìn)器設(shè)計提供參考。

1 潛艇及泵噴推進(jìn)器建模

1.1 計算模型參數(shù)

采用的潛艇計算模型為美國海軍船舶研究與發(fā)展中心(NSRDC)設(shè)計的全附體DARPASUBOFFAFF8模型[11]。該模型包含軸對稱體、指揮臺與4個尾翼。尺寸參數(shù)見表1。泵噴推進(jìn)器含五葉轉(zhuǎn)子與七葉定子，尺寸參數(shù)見表2。三維模型示意圖見圖1、2。

表1 泵噴推進(jìn)器模型主要參數(shù)

表2 DARPA SUBOFF主要參數(shù) m

圖1 DARPASUBOFF潛艇模型

圖2 泵噴推進(jìn)器模型

1.2 計算域選取與網(wǎng)格劃分

泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子葉片在流場中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，定子葉片和導(dǎo)管保持靜止，所以計算域有包含轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)域、包含定子導(dǎo)管和潛艇模型的外流場域[12]。外流場域是在潛艇上游取，下游取，徑向半徑取的圓柱體(為潛艇艇身長度)，見圖3。

圖3 潛艇-泵噴推進(jìn)器耦合模型流場計算域

由于模型的轉(zhuǎn)子葉片置于導(dǎo)管內(nèi)部，所以旋轉(zhuǎn)區(qū)域由導(dǎo)管內(nèi)壁面和圓柱延伸面組成，區(qū)域長度為0.04 m，見圖4。

圖4 泵噴推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)域

模型網(wǎng)格劃分在STAR-CCM+中進(jìn)行?；谄渥赃m應(yīng)生成邊界層網(wǎng)格的特性，對艇體、導(dǎo)管、定子和轉(zhuǎn)子部件使用棱柱網(wǎng)格生成器，劃分邊界層網(wǎng)格，棱柱層總厚度0.5 mm，邊界層為6層。

對于旋轉(zhuǎn)計算域和流場靜止域，通過使用切割體網(wǎng)格生成器，綜合設(shè)置目標(biāo)表面尺寸和最小表面尺寸的方式，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。外流場計算域網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)為220萬，最小體網(wǎng)格質(zhì)量(面與面的正交程度)為2.37×10-3；旋轉(zhuǎn)計算域網(wǎng)格數(shù)量為36萬，最小體網(wǎng)格質(zhì)量為3.00×10-4。99.64%的網(wǎng)格單元最小體網(wǎng)格質(zhì)量在0.01以上，兼顧了計算性能和計算要求兩方面指標(biāo)。潛艇模型表面網(wǎng)格和全流場計算域網(wǎng)格見圖5、6。

圖5 DARPASUBOFF潛艇模型網(wǎng)格(艇艏視角)

圖6 全流場計算域網(wǎng)格

1.3 邊界條件設(shè)置

基于FLUENT軟件進(jìn)行潛艇-泵噴推進(jìn)器耦合模型流場仿真計算，計算參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 泵噴推進(jìn)器計算參數(shù)設(shè)置

采用求解收斂難度小的速度入口邊界與壓力出口邊界，將參考壓力(502 762.5 Pa)設(shè)置為水下50 m深處的壓力，以避免空泡生成；使用多參考系方法模擬流體隨葉片的轉(zhuǎn)動，將旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉片和轉(zhuǎn)子輪轂設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，靜止域中的定子葉片、定子輪轂、導(dǎo)管和外流場壁面設(shè)置為無滑移壁面。

2 耦合模型水動力特性

均勻來流經(jīng)過艇體艇身會被指揮臺及十字舵尾翼調(diào)制成非均勻來流[13]，導(dǎo)管、定子葉片及轉(zhuǎn)子葉片在不均勻流場下的相互作用會顯著影響其激勵力特性。分析轉(zhuǎn)子葉片、定子葉片和導(dǎo)管表面壓強(qiáng)分布，分析激勵力產(chǎn)生及作用機(jī)理。

泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子葉片表面壓強(qiáng)分布見圖7。

圖7 泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子葉片的壓強(qiáng)分布

由圖7可知，受流體粘性作用，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子葉片壓力面導(dǎo)邊位置，最小壓強(qiáng)出現(xiàn)在吸力面導(dǎo)邊位置。吸力面有大范圍低壓區(qū)，整體壓強(qiáng)小于壓力面壓強(qiáng)[14]。由于葉片壓力面與吸力面之間形成較大壓差，轉(zhuǎn)子葉片表面會承受較大的流體激勵力。

和導(dǎo)管部件和轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生推力效果不同，定子葉片主要對流體產(chǎn)生阻礙作用和預(yù)旋作用，將一部分軸向流速轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蛄魉佟６ㄗ尤~片表面壓強(qiáng)分布見圖8。

圖8 泵噴推進(jìn)器定子葉片的壓強(qiáng)分布

與轉(zhuǎn)子葉片壓強(qiáng)分布對比，定子葉片同樣在導(dǎo)邊靠近葉梢位置出現(xiàn)最大壓強(qiáng)，但定子葉片壓力峰值及兩側(cè)壓差明顯小于轉(zhuǎn)子葉片。可見轉(zhuǎn)子葉片是激勵力的主要集中區(qū)域，具備較好的做功能力；定子葉片主要起導(dǎo)流預(yù)旋作用，承受較小的流體激勵力。

導(dǎo)管表面壓強(qiáng)分布見圖9。

圖9 泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管表面的壓強(qiáng)分布

導(dǎo)管外壁面整體壓強(qiáng)相對較小，沿進(jìn)流方向壓強(qiáng)逐漸增加；導(dǎo)管內(nèi)壁面壓強(qiáng)分布受到來流、定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片的共同影響。前端內(nèi)壁面受到流體沖擊，有明顯的壓力梯度；定子葉片與導(dǎo)管連接位置壓強(qiáng)較小，包裹轉(zhuǎn)子葉片的導(dǎo)管內(nèi)壁面位置壓強(qiáng)較大。導(dǎo)管與轉(zhuǎn)子葉片形成的流動間隙將會增大導(dǎo)管與轉(zhuǎn)子葉片承受的激勵力。

3 模型激勵力

計算敞水與艇后狀態(tài)下泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子及定子單個葉片和整體葉片的軸向、橫向激勵力，對葉片激勵力進(jìn)行無量綱的頻譜特性分析。

泵噴推進(jìn)器葉片推力系數(shù)為[15]

(1)

式中：T為泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子葉片推力；ρ為流體密度；n為轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速；D為轉(zhuǎn)子葉片直徑。

取FLUENT瞬態(tài)計算穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，分析0～500 Hz范圍內(nèi)激勵力頻譜特性。

定子單個葉片的軸向推力系數(shù)頻譜見圖10。

敞水狀態(tài)能清晰看到轉(zhuǎn)子葉片葉頻(50 Hz)，但沒有出現(xiàn)定子葉片葉頻(70 Hz)。理論上如果不考慮轉(zhuǎn)子葉片作用，定子葉片前方來流均勻時，一般僅有均勻壓力，而無激勵力產(chǎn)生。此處在定子的單個葉片推力系數(shù)頻譜曲線中表現(xiàn)有轉(zhuǎn)子的1倍葉頻的原因是由于泵噴推進(jìn)器定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片在流場中相互作用，定子葉片受到了轉(zhuǎn)子葉片干涉作用。艇后狀態(tài)定子單個葉片的推力系數(shù)以轉(zhuǎn)子葉片葉頻及倍頻為主，峰值為敞水狀態(tài)下定子單葉片推力系數(shù)的80倍，說明潛艇提供的不均勻來流顯著增強(qiáng)了定子與轉(zhuǎn)子干涉作用，使定子單個葉片承受的激勵力增加。

7葉定子軸向推力和橫向推力系數(shù)頻譜見圖11、12。

圖11 7葉定子軸向推力系數(shù)頻譜

圖12 7葉定子橫向推力系數(shù)頻譜

敞水狀態(tài)下，7葉定子相較于定子單個葉片，在葉頻處的激勵力幅值被合成疊加，非葉頻處的激勵力幅值被相互抵消，因此，頻譜上沒有顯著的峰值頻率(盡管圖11a)和圖12a)中頻率成分豐富，但考慮到幅值很小，認(rèn)為是由數(shù)值計算誤差引起的，實際定子葉片表面沒有激勵力，該結(jié)果與經(jīng)典理論相一致)。艇后狀態(tài)下，7葉定子軸向推力系數(shù)頻譜在軸頻、4倍軸頻、葉頻及其倍頻處出現(xiàn)峰值。橫向推力系數(shù)頻譜在軸頻、葉頻及其倍頻處出現(xiàn)峰值。潛艇十字舵尾翼提供的不均勻來流使得軸向推力系數(shù)多出4倍軸頻特性。與此同時，也顯著增大了定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片的干涉作用，使得定子葉片承受較大激勵力。

轉(zhuǎn)子單個葉片的軸向推力系數(shù)頻譜見圖13。

圖13 轉(zhuǎn)子單個葉片軸向推力系數(shù)頻譜

兩種來流狀態(tài)下轉(zhuǎn)子單個葉片在低頻段均具有比較豐富的頻率成分。敞水狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子葉片前方來流被定子葉片調(diào)制，頻譜曲線表現(xiàn)有軸頻和7倍軸頻峰值；艇后狀態(tài)，十字舵分割流場，轉(zhuǎn)子單個葉片在一個周期內(nèi)交替進(jìn)入4個高速流域和4個低速流域，故頻譜圖上除表現(xiàn)有軸頻峰值外，還有4倍軸頻(40 Hz)峰值。在80、120 Hz等倍頻處，也出現(xiàn)小峰。敞水狀態(tài)不均勻流場受定子葉片調(diào)制，艇后狀態(tài)不均勻流場受潛艇十字舵尾翼調(diào)制。

敞水與艇后伴流狀態(tài)5葉轉(zhuǎn)子軸向力與橫向力系數(shù)頻譜見圖14、15。

圖14 5葉轉(zhuǎn)子軸向推力系數(shù)頻譜

圖15 5葉轉(zhuǎn)子橫向推力系數(shù)頻譜

敞水狀態(tài)，軸向推力系數(shù)表現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉頻及其倍頻；橫向推力系數(shù)以1倍葉頻為主。艇后狀態(tài)，軸向推力系數(shù)表現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉頻及其倍頻；橫向推力系數(shù)以1倍葉頻為主。說明兩種狀態(tài)下的不均勻來流均可激勵起轉(zhuǎn)子葉片的倍頻。相較于轉(zhuǎn)子單個葉片的激勵力，5葉轉(zhuǎn)子葉片間存在相位差，在單轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)的豐富低頻成分會被合成抵消。此外，由于流場網(wǎng)格不完全對稱及湍流模型非線性的復(fù)雜特點，在數(shù)值計算結(jié)果中依舊體現(xiàn)有軸頻及其倍頻的峰值。軸頻及其倍頻的峰值相較于葉片葉頻為小量，從對計算結(jié)果影響角度可以忽略。艇后狀態(tài)相較于敞水狀態(tài)，1倍葉頻峰值明顯增大，這是因為潛艇顯著增加了流場的不均勻性。同時由圖14b)和圖15b)可知，200～ 500 Hz頻段激勵力很小，表明來流場頻率成分以低頻分量為主。

4 結(jié)論

1)敞水及艇后狀態(tài)，轉(zhuǎn)子單個葉片激勵力頻譜以軸頻及其倍頻為主；5葉轉(zhuǎn)子激勵力頻譜以葉頻及其倍頻為主，1倍葉頻處峰值最大，在2倍葉頻后迅速衰減。軸向力脈動比橫向力脈動大。

2)敞水狀態(tài)下，定子葉片表面沒有激勵力；但是艇后狀態(tài)下，受轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片動靜干涉影響，定子葉片激勵力被不均勻流場顯著放大，特征頻率出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子葉頻處。

3)在進(jìn)行泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片的動靜干涉對葉頻激勵力的影響。將定子和轉(zhuǎn)子作為整體，考慮平衡性后進(jìn)行匹配設(shè)計。

在今后的工作中，還應(yīng)探討槳葉彈性對泵噴推進(jìn)器激勵力的影響。