導(dǎo)管剖面傾角和拱度對泵噴與艇體相互作用影響的數(shù)值分析

董新國 林 輝 嚴(yán) 鵬 李 寧

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200011）

引 言

泵噴推進(jìn)器是由環(huán)狀導(dǎo)管、定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的組合式推進(jìn)裝置，是安靜型核潛艇和水下航行器首選推進(jìn)方式［1-2］。導(dǎo)管將泵噴推進(jìn)器流場分解成內(nèi)外流場，為剖面機(jī)翼型、軸對稱環(huán)形結(jié)構(gòu)，對推進(jìn)器水動力、空泡、噪聲性能都具有重要影響［3］。

導(dǎo)管的形式主要有兩種，盛振邦和劉應(yīng)中［4］按環(huán)流理論給出了加速型和減速型導(dǎo)管的定義（圖1）。Capos FD［5］計(jì)算得到了導(dǎo)管37在三種不同雷諾數(shù)下的內(nèi)外表面壓力系數(shù)分布。楊瓊方和王永生［6］分析了艇艉導(dǎo)管剖面NACA6417翼型在20°和15°傾角下，不同部位邊界層流速度沿徑向的分布規(guī)律，認(rèn)為采用相對較大攻角的導(dǎo)管時(shí)既能抑制艇體阻力增加量，又能使導(dǎo)管不至于承受較大的推力負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到小推力或零推力導(dǎo)管設(shè)計(jì)的目的。劉業(yè)寶［7］對導(dǎo)管形式和基于空泡性能為目標(biāo)的減速型導(dǎo)管剖面設(shè)計(jì)開展了研究。

上述研究針對導(dǎo)管參數(shù)變化帶來的性能變化尚缺少定量的討論、規(guī)律性研究和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。本文旨在通過改變艇尾導(dǎo)管翼剖面傾角與拱度，采用數(shù)值預(yù)報(bào)方法，分析艇尾壓力分布變化，并對泵噴推進(jìn)特性具有重要影響的參數(shù)——推力減額、動量影響系數(shù)以及推進(jìn)器流量進(jìn)行規(guī)律總結(jié)，為泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管設(shè)計(jì)提供量化建議。

1 研究對象

本文以SUBOFF艇［8］為基礎(chǔ)，將艇尾線型由樣條曲線修改為傾角15°的直線，以便于導(dǎo)管布置，同時(shí)刪除附體，以減小附體擾流對規(guī)律分析的影響。

該艇長4.356 m、平行中體直徑0.508 m、濕表面面積6.045 m2。導(dǎo)管翼剖面采用NACA66-0.8，最大厚度比取0.08。

模型尺度特征參數(shù)及定義如下：圖2為導(dǎo)管參數(shù)特征示意圖，D為轉(zhuǎn)子盤面處直徑，取208.3 mm；L為導(dǎo)管翼剖面弦長，取187.5 mm；∠A為導(dǎo)管翼剖面傾角（與艇中心線夾角）；f為導(dǎo)管翼剖面拱度；為相對拱度比，為減速導(dǎo)管，呈外凸型；為加速導(dǎo)管，呈外內(nèi)凹型）。

圖 2 導(dǎo)管參數(shù)特征示意圖

表1列出本文擬研究的導(dǎo)管翼剖面及相對拱度比的變化范圍。

表1 導(dǎo)管翼剖面傾角和相對拱度比取值范圍

翼剖面均在O點(diǎn)處（圖2）旋轉(zhuǎn)形成各型導(dǎo)管，并建立幾何模型見圖3。

圖 3 各研究方案導(dǎo)管剖面幾何

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

為減少邊界條件的設(shè)定對艇體壓力和速度等物理場的影響，計(jì)算域入口邊界距離艇首約2倍艇長，艇尾距離出口約5倍艇長，計(jì)算域直徑約20倍艇直徑，如圖4所示。

圖4 計(jì)算域及網(wǎng)格分布

采用Star-ccm+軟件特有的蜂窩狀具有六邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多面體網(wǎng)格。艇體表面邊界層第一層網(wǎng)格厚度取0.03 mm，采取離開物面時(shí)網(wǎng)格逐漸稀疏的網(wǎng)格密度控制方法，面網(wǎng)格增長率取1.2；導(dǎo)管區(qū)加密，第一層網(wǎng)格厚度取0.01 mm，最終形成的網(wǎng)格壁面y+＜5，總網(wǎng)格數(shù)約330萬。

2.2 邊界條件及計(jì)算設(shè)置

采用速度入口、壓力出口邊界條件，分別取9 m/s、0 Pa，設(shè)定參考壓力為1個(gè)大氣壓。采用SSTk-ω湍流模型封閉控制方程、分離流求解器。數(shù)值計(jì)算過程中，在O點(diǎn)對應(yīng)盤面處，設(shè)置徑向分布相同的虛擬盤，通過虛擬盤模型的螺旋槳體積力法來代替泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子、定子的抽吸作用，以減小導(dǎo)管變化過程中轉(zhuǎn)定子匹配性設(shè)計(jì)可能帶來的干擾因素，同時(shí)大大減小計(jì)算量。各方案通過調(diào)試虛擬盤負(fù)荷，直至強(qiáng)制力為0，完成自航計(jì)算。

2.3 泵噴與艇體相互作用相關(guān)參數(shù)

2.3.1 推力減額t

數(shù)值計(jì)算獲得水流速度V0= 9 m/s時(shí)裸艇體阻力R為653.4 N，其中摩擦阻力為582.7 N，換算至摩擦阻力系數(shù)為2.381×10-3。根據(jù)ITTC1957公式：

表2列出了CFD和ITTC公式計(jì)算獲得的摩擦阻力系數(shù)結(jié)果對比，偏差為0.4%，此時(shí)形狀阻力系數(shù)0.29×10-3，在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算方法和數(shù)據(jù)的有效性。

表2 摩擦阻力系數(shù)CFD與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果比較

通過自航計(jì)算獲得泵噴推進(jìn)器推力T：

式中：TDuct、THub、Tp分別為導(dǎo)管、輪轂和虛擬盤上的力，N。導(dǎo)管、輪轂和虛擬位置分布參見圖5。

圖 5 導(dǎo)管、輪轂和虛擬盤位置分布

2.3.2 動量影響系數(shù)Cm

參考ITTC關(guān)于噴水推進(jìn)的相關(guān)定義，在此取導(dǎo)管入口前一倍D位置1A處至噴口為控制體。泵噴推力T可寫為式（4）：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；Q為受虛擬盤抽吸作用進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)流體的流量，m3/s；Vj為噴速，m/s；V0為船速，m/s；ΔT為導(dǎo)管外表面受到的力，N；Cm為動量影響系數(shù)［9］，是影響推力和推進(jìn)效率的重要參數(shù)，定義為：

根據(jù)流量守恒，噴口處流量Q與1A處獲流區(qū)流量相等。因艇尾無其他附體干擾，認(rèn)為1A處獲流區(qū)為圓環(huán)型，即可確定獲流區(qū)面積A。

3 導(dǎo)管傾角變化對泵噴與艇體相互作用影響的分析

按表1所列導(dǎo)管傾角變化范圍形成方案，分別完成 CFD 計(jì)算，按式（2）、（3）、（5）、（6）開展后處理，相關(guān)結(jié)果見表3。

根據(jù)表3以及圖6 至圖8分析，隨著導(dǎo)管翼剖面傾角增大，導(dǎo)管前緣駐點(diǎn)由外表面逐步向內(nèi)表面移動，導(dǎo)管上的力由推力變化為阻力，轉(zhuǎn)定子負(fù)荷單調(diào)遞增；隨著傾角增大，t單調(diào)下降，主要原因是泵噴獲流區(qū)水速下降、壓力升高，致使艇體阻力下降，相同航速下需要的泵噴推力T相應(yīng)下降；隨著傾角增大，Cm單調(diào)下降，說明吸入邊界層相對于吸入流量的占比下降了；隨著傾角增大，Q先減小，在15°附近形成拐點(diǎn)，再增大。

另外，從圖 7、圖 8 中（d）、（e）、（f）流線和渦量圖分析，16°傾角導(dǎo)管前緣外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著傾角的增大，脫流加劇。

表3 導(dǎo)管傾角變化對推進(jìn)相關(guān)參數(shù)的影響

根據(jù)上述分析，工程設(shè)計(jì)中導(dǎo)管傾角可取10°～16°。傾角大時(shí)，t、Cm小，對快速性有利，但轉(zhuǎn)定子負(fù)荷偏重，設(shè)計(jì)難度大；傾角小時(shí)，導(dǎo)管對推力產(chǎn)生貢獻(xiàn)，轉(zhuǎn)定子負(fù)荷輕，有利于空泡和噪聲控制；多項(xiàng)性能需綜合權(quán)衡考慮時(shí)，取14°～15°為宜。

圖 6 Q、t、Cm隨傾角的變化

圖 7 各傾角下導(dǎo)管區(qū)流線及壓力云圖

圖 8 各傾角下導(dǎo)管區(qū)渦量圖

4 導(dǎo)管拱度變化對泵噴與艇體相互作用影響的分析

按表1所列導(dǎo)管在14°傾角下拱度變化范圍形成方案，分別完成 CFD 計(jì)算，按式（2）、（3）、（5）、（6）進(jìn)行后處理，相關(guān)結(jié)果見表4。

根據(jù)表4以及圖9至圖11分析，對于減速型導(dǎo)管，隨著導(dǎo)管翼剖面拱度比增大，導(dǎo)管上產(chǎn)生的阻力逐步增大；泵噴獲流區(qū)水速下降、壓力升高，艇體阻力下降，且阻力下降幅度大于導(dǎo)管阻力增加值，即相同航速下需要的泵噴推力T下降，t下降；但t相對平緩，說明t之于拱度變化不如傾角敏感；隨著拱度比增大，Cm、Q均單調(diào)下降。對于加速型導(dǎo)管，隨著拱度比增大，上述規(guī)律相反。

另外，從圖10與圖11中（a）、（b）流線和渦量圖分析，時(shí)，導(dǎo)管導(dǎo)邊外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著拱度增大，脫流加劇。從圖10、圖11中（h）、（i）、（j）流線和渦量圖分析，+0.04時(shí)，導(dǎo)管隨邊外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著拱度增大，脫流加劇，數(shù)值計(jì)算過程中力震蕩加大也驗(yàn)證了上述現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，工程設(shè)計(jì)中導(dǎo)管14°傾角時(shí)拱度比可取-0.02～0.04。減速型導(dǎo)管，拱度大則t和Cm小，對快速性有利，但轉(zhuǎn)定子負(fù)荷偏重，設(shè)計(jì)難度大；加速型導(dǎo)管，導(dǎo)管對推力貢獻(xiàn)大，轉(zhuǎn)定子負(fù)荷輕，有利于空泡和噪聲控制，但t和Cm大則對快速性不利。

表4 導(dǎo)管拱度變化對推進(jìn)相關(guān)參數(shù)的影響

圖 9 Q、t、Cm隨拱度比的變化

圖 10 各拱度比下導(dǎo)管區(qū)流線及壓力云圖

圖 11 各拱度比下導(dǎo)管區(qū)渦量圖

5 結(jié) 語

本文為研究導(dǎo)管翼剖面形式對泵噴與艇體相互作用的影響，以SUBOFF模型艇回轉(zhuǎn)體為基礎(chǔ)，分別配置以傾角和拱度比為變量的導(dǎo)管，通過CFD模擬，分析傾角與拱度變化對推力減額、動量影響系數(shù)及流量的影響，在本文研究的參數(shù)變化范圍內(nèi)，獲得以下結(jié)論：

（1）隨著導(dǎo)管翼剖面傾角增大，推力減額、動量影響系數(shù)減小，推進(jìn)器流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

（2）隨著導(dǎo)管翼剖面拱度比增大，對于減速型導(dǎo)管，推力減額、動量影響系數(shù)和推進(jìn)器流量均單調(diào)下降，轉(zhuǎn)定子負(fù)荷上升；對于加速型導(dǎo)管，則反之。即減速型導(dǎo)管并不意味著會犧牲推進(jìn)效率、提升空泡性能，加速型導(dǎo)管也未必推進(jìn)效率高，空泡惡化，這與常規(guī)分析的結(jié)論不同。

（3）推力減額之于拱度變化不如傾角敏感。

（4）在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，從推進(jìn)、空泡和噪聲性能綜合權(quán)衡的角度出發(fā)，導(dǎo)管翼剖面傾角宜取14°～15°，拱度比推薦取值范圍為 -0.02～0.04。