泵噴推進器水動力及流場特性研究綜述1)

李晗 黃橋高,2) 潘 光 董新國

* (西北工業(yè)大學航海學院,西安 710072)

? (中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,噴水推進技術(shù)重點實驗室,上海 200011)

引言

隨著作戰(zhàn)任務(wù)的變化和水下聲探測技術(shù)的發(fā)展,水下航行器的機動性和隱身性面臨著嚴峻挑戰(zhàn).要在保證快速性前提下,盡可能降低輻射噪聲,提高整個水下平臺的隱身性.水下航行器常用螺旋槳、導管螺旋槳、對轉(zhuǎn)螺旋槳和泵噴推進器(下文簡稱泵噴)等作為主推進器.就結(jié)構(gòu)型式而言,傳統(tǒng)的螺旋槳和導管螺旋槳已出現(xiàn)水動力和噪聲性能瓶頸,很難同時滿足高航速、重載、無空化和低噪等多方面要求.對轉(zhuǎn)螺旋槳能較好地滿足相關(guān)性能要求,但軸系復雜,密封要求高[1],僅在魚雷推進中有較多應(yīng)用.相較而言,泵噴有潛在的性能提升空間,但其復雜的結(jié)構(gòu),導致設(shè)計和性能評估難度更大,流動特性和噪聲機制更加復雜,艇體匹配要求更高,對潛艇操縱性的影響也很大[2].

泵噴相對于螺旋槳推進,19 世紀中葉才出現(xiàn),潛艇用泵噴則更晚.國外很早就開發(fā)出泵噴并相繼用于魚雷和潛艇推進,現(xiàn)今,國外各類潛艇普遍采用泵噴推進方式.但泵噴推進是作為一種特種推進方式出現(xiàn)的,受限于應(yīng)用對象和發(fā)展需求,國內(nèi)泵噴推進技術(shù)的研究和應(yīng)用是滯后的,尚無公開報道的泵噴推進型潛艇.如圖1,是國外部分魚雷和潛艇上裝備的泵噴.魚雷基本上采用后置定子式泵噴.對于潛艇用泵噴則高度保密,各種公開文獻和報道上,泵噴內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎不可見,僅俄羅斯基洛級B871 潛艇的泵噴有可見的轉(zhuǎn)子和定子(分別對應(yīng)圖1(c)上半部分和下半部分中的葉柵結(jié)構(gòu)).但是基洛級潛艇的泵噴具有超長導管和特殊的舵,泵噴導管內(nèi)前部的結(jié)構(gòu)如何,轉(zhuǎn)、定子葉柵的級數(shù)多少等都是未知的.對于國外潛艇用泵噴,應(yīng)用的是前置定子式還是后置定子式,尚無定律,但是從現(xiàn)有的研究來看,前置定子式泵噴是可能性最大的.

圖1 魚雷和潛艇上的泵噴[2-3]Fig.1 Pump-jet for torpedoes and submarines[2-3]

圖1 魚雷和潛艇上的泵噴[2-3](續(xù))Fig.1 Pump-jet for torpedoes and submarines[2-3] (continued)

泵噴是一種組合式推進器,由導管及導管內(nèi)的靜止葉柵和旋轉(zhuǎn)葉柵3 類基本部件集成設(shè)計而成,結(jié)構(gòu)緊湊,內(nèi)外流場復雜,和帶定子的導管螺旋槳有顯著區(qū)別,任一部件的缺失都會顯著影響泵噴流場,進而影響水動力和聲學特性,泵噴的設(shè)計、流動特性以及和航行體的匹配更為復雜.按照靜止葉柵和旋轉(zhuǎn)葉柵的相對位置,泵噴可分為前置定子式和后置定子式(見圖2),二者在水動力和流場特性上有很大差別,應(yīng)用場景也有所差異.在滿足快速性的基礎(chǔ)上,相比于魚雷等小型高速航行器用泵噴注重高效和力矩平衡性能,潛艇等大型航行器用泵噴更注重噪聲性能,相應(yīng)的設(shè)計更加復雜.如何充分利用大型航行體尾段線型和遲滯尾流,削弱伴流影響,改善轉(zhuǎn)子進流,來降低泵噴的非定常力,改善輻射噪聲,是在潛艇等大型航行器用泵噴的研究和應(yīng)用中需要重點考慮的.

圖2 泵噴推進器示意圖Fig.2 Sketches of pump-jet propulsor

本文介紹了泵噴推進器的研究現(xiàn)狀,對水動力、流動特性兩個方面的研究進行了深入闡述,分析了其中的技術(shù)難點并對未來的研究做出了展望.

1 研究現(xiàn)狀

泵噴是特殊時代背景下的產(chǎn)物,具體定義至今仍是不清晰的[3],可以看作為噴水軸流泵和導管螺旋槳的一種融合發(fā)展類型.作為一種水下推進器,在水面領(lǐng)域的應(yīng)用也較少,但其具有的顯著優(yōu)勢和潛在應(yīng)用,吸引了眾多研究者開展研究.不僅對于魚雷和潛艇,在高速艦船、大型船舶輔助推進等方面,泵噴均有較好的應(yīng)用潛力.

國外,泵噴研究和應(yīng)用工作開展很早,如俄、美、英、法等均有配備泵噴的潛艇或魚雷,說明已充分掌握泵噴推進技術(shù).公開發(fā)表的論文和技術(shù)報告集中在20 世紀,來源以美國為主,研究內(nèi)容基本都是泵噴設(shè)計問題[4-8].21 世紀,國外發(fā)表的泵噴論文和報告基本沒有來自各海軍強國的,只有其他國家的研究單位發(fā)表過泵噴水動力相關(guān)的數(shù)值和實驗研究文章[9-15],主要涉及魚雷泵噴推進器的設(shè)計和性能特性,鮮有關(guān)于潛艇等大型航行器用泵噴.

國內(nèi),韓瑞德等[16-17]在19 世紀末發(fā)表了關(guān)于魚雷泵噴的設(shè)計方法和準則.如今,泵噴設(shè)計方法有基于螺旋槳環(huán)流理論和軸流泵的升力法[18-22]、三元設(shè)計及其逆向設(shè)計方法[23-26]、螺旋槳環(huán)流理論設(shè)計方法[27-28].泵噴水動力計算,普遍的有基于勢流的升力線、升力面和面元法,也有基于黏性計算流體力學(computational fluids dynamics,CFD)的方法.特別是基于勢流理論的方法,至今在泵噴快速預(yù)報[27-29]和優(yōu)化設(shè)計中仍具有重要地位[27].此外,還有用噴水推進理論[30]和變分有限元方法[31-32]對泵噴性能進行預(yù)報.CFD 方法在水動力計算、流動特性和噪聲特性的研究上具有重要的地位,不像基于勢流理論或噴水推進理論的方法存在忽略流體黏性的缺陷,除了高精度結(jié)果,還可對泵噴力學和噪聲特性及其機理進行深入研究,并反饋設(shè)計.隨著計算能力和CFD 理論的發(fā)展,采用CFD 方法對泵噴進行研究逐漸普遍.CFD 方法廣泛用于泵噴研究:開展水動力和噪聲計算,了解泵噴的水動力和聲學特性[9-10,14-15,19-21,23-28,33-45];對流場特性進行研究,認識流動機理,改善快速預(yù)報方法[46-47],進一步揭示泵噴水動力、流場和噪聲3 者內(nèi)在聯(lián)系,抑制流場特征渦結(jié)構(gòu)[42],降低泵噴的輻射噪聲水平;為泵噴優(yōu)化設(shè)計提供更可靠技術(shù)支撐和積累[43-45,48-49],進一步認識流場特征結(jié)構(gòu)及其在水動力特性中的作用;研究泵噴空化特性[50-55],抑制空化,提高抗空化性能;預(yù)報泵噴水動力噪聲[56-65],掌握泵噴輻射噪聲特性和聲學機制,開展泵噴降噪技術(shù)研究[61-62,64-65].現(xiàn)今,泵噴的研究除了涉及基本的水動力,更多的是關(guān)注降噪領(lǐng)域,無論是泵噴非定常力、流動特性的研究,還是各種降噪方法的探索,都是為了降低泵噴噪聲,進而降低潛艇總的輻射噪聲.

2 水動力

保證水下航行器的快速性是對推進器的一個基本要求.采用泵噴作為主推進方式,要充分認識泵噴的推進特性,了解其水動力性能,繼而泵噴的輻射噪聲特性及其發(fā)聲機制.在確保泵噴有效功率的同時,進行空化抑制和降噪才是有意義的,并且相應(yīng)的評判標準應(yīng)受到推進需求的完全制約.泵噴作為一種多組元推進器,其推進特性、噪聲特性、尺度效應(yīng)等,和普通的螺旋槳、導管螺旋槳等有很大差異,并且其相應(yīng)的預(yù)報方法受泵噴流場影響也有很大區(qū)別,特別是在采用基于勢流等快速預(yù)報方法進行計算時[46-48],進而影響泵噴的逆向設(shè)計和優(yōu)化.

2.1 推進特性

相比于普通的螺旋槳和導管螺旋槳等,泵噴的進速系數(shù)范圍可以根據(jù)設(shè)計要求進行大范圍調(diào)節(jié).從快速性角度而言,相應(yīng)的應(yīng)用范圍更廣,不論是高速魚雷推進,還是潛艇低速低噪推進,都能進行很好的適配,特別是魚雷高速推進,泵噴具有獨特優(yōu)勢.圖3 是部分文獻中潛艇泵噴[18,38,66]和魚雷泵噴[21,37]的水動力性能曲線,其中轉(zhuǎn)子和定子的力矩方向相反,定子力矩為絕對值.兩型泵噴的水動力曲線分布差異很大.一是,潛艇的航速較低且配備大尺度泵噴,所以泵噴的性能曲線更多分布在低進速系數(shù)區(qū),功率密度也低,定子和導管系統(tǒng)的性能曲線變化也緩慢.魚雷需要高速推進且泵噴尺度小,泵噴的性能曲線主要分布在高進速系數(shù)區(qū),功率密度也更高.二是,魚雷等小型航行器由于操縱能力和續(xù)航的限制,對泵噴力矩平衡和效率的要求更高,所以定子和轉(zhuǎn)子的力矩曲線在工況范圍內(nèi)的大小非常接近,力矩平衡特性在諸多推進器中最優(yōu),定子也為后置方式.而潛艇泵噴的前置定子雖有一定的力矩,但是不足以在大多數(shù)工況下平衡掉轉(zhuǎn)子的力矩.泵噴轉(zhuǎn)子的推力是推進器的主要推力來源,盡管低進速系數(shù)下導管和定子系統(tǒng)的受力是推力,但占比不大;定子力矩和其設(shè)計密切相關(guān),取決于泵噴型式和力矩要求.為了減振降噪,潛艇等大型航行器普遍采用前置定子式:一是杜絕轉(zhuǎn)子高速尾流和定子的劇烈干擾;二是利用前置定子提供預(yù)旋,改善轉(zhuǎn)子進流;三是利用前置定子改善航行體尾流的不均勻性,從而改善轉(zhuǎn)子進流;四是前置定子的支撐作用可以進一步簡化泵噴結(jié)構(gòu)[22].此外,由于尺度和工況差異,潛艇上常用的前置定子泵噴的功率密度相對低,其前置定子具有一定的力矩,但是不足以在大多數(shù)工況下平衡掉轉(zhuǎn)子的力矩.

圖3 魚雷和潛艇泵噴水動力曲線Fig.3 Hydrodynamic curve of torpedo and submarine pump-jet propulsors

2.2 預(yù)報方法

泵噴的設(shè)計概念目前存在兩種來源[30],一是噴水推進軸流泵,二是導管螺旋槳,因而研究時,有基于泵理論的,也有基于螺旋槳相關(guān)理論的.董新國等[30]采用噴水推進理論結(jié)合現(xiàn)有推進泵實驗數(shù)據(jù),對艇后泵噴的性能進行了快速計算,該方法依靠泵噴所采用的推進泵性能數(shù)據(jù),可以快速進行噴水推進泵到泵噴的遷移應(yīng)用.陳月林和韓瑞德[31]基于葉輪機械三元流動兩類相對流面理論,采用變分有限元方法計算了泵噴的水動力.劉高聯(lián)等[32]采用變域變分原理和有限元方法求解了泵噴流場.

相比上述方法,現(xiàn)在更多是采用基于勢流理論的面元法和CFD 方法.劉小龍[29]建立了均勻流中泵噴定常和非定常水動力性能預(yù)報的面元法程序,對泵噴3 類基本部件分別進行面元離散,然后相互迭代進行求解,其中轉(zhuǎn)子尾渦模型采用的是導管槳的尾渦模型.谷浪等[46]和Wang等[47]考慮轉(zhuǎn)子葉頂間隙流動在勢流預(yù)報中的影響,建立勢流預(yù)報中的間隙泄渦模型,以提高面元法預(yù)報泵噴水動力的計算精度,見圖4.后來,Hu等[67]進一步考慮葉頂間隙高度和流量系數(shù)的影響,給出了某后置定子泵噴勢流計算中間隙高度和流量系數(shù)的計算范圍.翁凱強等[68]還考慮了間隙局部區(qū)域流體黏性的影響.饒志強[27]參數(shù)化轉(zhuǎn)子弦長、螺距、拱度和側(cè)斜分布,以轉(zhuǎn)子效率和推力脈動為優(yōu)化目標,結(jié)合勢流方法和黏流CFD 方法,采用多目標進化算法,對泵噴轉(zhuǎn)子進行了優(yōu)化設(shè)計.

圖4 泵噴推進器間隙泄渦模型[47]Fig.4 Tip clearance leakage vortex model in PJP[47]

采用CFD 方法研究泵噴水動力和噪聲依賴湍流理論的發(fā)展和計算機算力.從最早的RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法[9,14,34-36],到現(xiàn)今的LES (large eddy simulation)級泵噴流場模擬[38,64-65],都是和CFD 理論、計算機技術(shù)的發(fā)展同步的.如今,CFD 湍流模擬方法有很大進展,限制泵噴精細化流場獲得的原因更多的是來自于計算機算力的不足.為此,基于RANS 和LES 混合思想的相關(guān)方法使研究者可以對感興趣的局部流場進行高精度的模擬.并且,在LES 對計算資源的高要求下,基于RANS的湍流轉(zhuǎn)捩模擬,可以進一步模擬推進器表面的不同類型的流動,充分考慮局部Re數(shù)對水動力計算的影響[39],提高水動力計算的精度.

2.3 水動力變化規(guī)律

泵噴水動力的變化規(guī)律更多的是圍繞著相關(guān)基本構(gòu)成部件的參數(shù).對于轉(zhuǎn)子而言,其梢部和導管之間的葉頂間隙是考慮最多的,這和設(shè)計時的梢部負載計算和梢部流動有很大關(guān)系.現(xiàn)有工作中,間隙對水動力性能的影響,以魚雷用后置定子泵噴和艇用前置定子泵噴為主要研究對象.圖5(a)和圖5(b)是雷用型泵噴推力隨間隙尺寸的變化規(guī)律[21,69],圖5(c)和圖5(d)為艇用型泵噴的推力隨間隙尺寸的變化規(guī)律[45,70].其中文獻[21]和文獻[69]的導管類型不同,而且兩文獻在對間隙尺寸的處理方式也不同,前者為徑向移動導管剖面,后者為切割轉(zhuǎn)子直徑;文獻[45]和文獻[70]對間隙的處理方式跟文獻[21]一致,且二者在導管-定子配置、轉(zhuǎn)子幾何上有很大差異,文獻[45]中泵噴導管的傾角更大.Wang等[48]基于勢流方法也就間隙對泵噴水動力的影響進行了研究.以上研究統(tǒng)一結(jié)論都是:增大葉頂間隙,泵噴轉(zhuǎn)子推力降低,導管和定子系統(tǒng)阻力則跟導管是加速還是減速類型有很大的關(guān)系,泵噴推進器整體效率也是降低的.Ji等[71]對轉(zhuǎn)子梢部葉剖面的厚度和縱傾進行了研究,這些梢部局部的參數(shù)的變化對泵噴整體效率影響很小.

圖5 間隙對泵噴推力的影響Fig.5 The effects of tip clearance on pump-jet thrust

圖5 間隙對泵噴推力的影響 (續(xù))Fig.5 The effects of tip clearance on pump-jet thrust (continued)

作為基本部件之一的定子,在后置定子式泵噴中,特別是雷用型泵噴,與前置定子式泵噴的定子設(shè)計理念上有很大區(qū)別.后置定子更多的是為了效率和力矩平衡性能,前置定子更多的是為了減振降噪.定子參數(shù)涉及很多,除了葉片的弦長、葉厚、預(yù)旋角等,還涉及到定子的葉數(shù)、軸向位置、環(huán)向和軸向側(cè)斜等.劉業(yè)寶[18]利用勢流理論研究了定子軸向位置對泵噴水動力的影響,前置定子的軸向位置主要影響導管和定子的受力,但是對轉(zhuǎn)子推力影響很小,總的來說,對泵噴水動力影響不大;而安裝角則顯著影響泵噴各部件的受力,且存在最優(yōu)值;定子弦長也存在最佳值,使泵噴效率達到最高.同樣,對于后置定子泵噴[18],有相似的規(guī)律,但是對于參數(shù)的合理變化范圍有很大區(qū)別.饒志強等[72]基于勢流理論就前置定子葉厚、安裝角和葉數(shù)對泵噴水動力的影響進行了研究.安裝角和文獻[18]有一致的結(jié)論,葉厚可以降低定子的阻力,但是對泵噴整體性能影響較小.對于安裝角,增加定子葉數(shù)可以增大轉(zhuǎn)子推力,但是增大了定子和導管的阻力,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩也在同步增大的情況下,泵噴的效率是降低的.Ji等[40]基于改進的體積力法也對定子安裝角進行了研究,得出了類似地結(jié)論.Yu等[44]基于RANS 對定子葉片的弦長、安裝角、定子與轉(zhuǎn)子的距離進行了研究,其中安裝角的結(jié)論和前述勢流的是有差異的,隨著安裝角的增大,各部件的受力,包括泵噴的整體效率是單調(diào)變化的,這可能跟定子的安裝角選取范圍有關(guān),由于轉(zhuǎn)子設(shè)計的差異,文獻[44]泵噴定子的安裝角范圍可能更大.同樣,對于定子弦長、定子和轉(zhuǎn)子的間距兩個參數(shù),各部件的受力是單調(diào)的,且幅度較小,對整體的效率影響很小.

導管構(gòu)成了泵噴的流道,將泵噴流場分割開來,使內(nèi)外流場因轉(zhuǎn)子和定子的存在而有顯著差異,并且在實際設(shè)計應(yīng)用中,導管還要考慮跟航行體尾部的匹配問題.Wang等[48,73]基于勢流方法[47]對某雷用后置定子泵噴的導管間隙(導管徑向位置)、拱度和攻角進行了研究.增加拱度可以提高泵噴效率和功率范圍;間隙影響的結(jié)論和前述一致;降低攻角有助于泵噴效率.對于艇用等前置定子泵噴,劉業(yè)寶[18]基于勢流方法對導管長度的影響進行了研究,表明導管長徑比在0.8～ 1.2 內(nèi)泵噴效率較佳.Ji等[40]基于改進的體積力法對導管攻角的影響進行了研究,導管攻角存在最優(yōu)值.Huang等[45]研究了導管的傾角、間隙、長度、進口收縮系數(shù)和出口擴張系數(shù)對泵噴性能的影響,導管的傾角、間隙的結(jié)論和前述研究一致;對于導管長度,由于來流(導流裝置的差異),其結(jié)果對于泵噴敞水總體效率不具有很好參考性;降低導管進口收縮系數(shù)可以改善各部件受力和泵噴總體效率,變化幅度不大;增大導管出口擴張系數(shù),轉(zhuǎn)子推力下降,導管的阻力也下降,變化過程中存在泵噴效率最優(yōu)值,相應(yīng)的變化幅度很大.董新國等[49]采用體積力法研究了導管傾角和拱度對泵噴與艇體相互作用的影響,對于減速型導管,增加翼型剖面拱度有助于推力減額系數(shù),但是變化幅度不如導管傾角的大.

對于像潛艇等大型水下航行器配備的泵噴,還需要考慮尺度差異帶來的影響.模型和實物的相似性一般是滿足推進速系數(shù)一致,其他相似數(shù)要么是不需要考慮,要么是很難同時滿足,相關(guān)研究很少.孫明宇等[66]和Li等[74]的研究表明泵噴不同部件的尺度效應(yīng)有很大差異,大尺度下轉(zhuǎn)子有更高的推力系數(shù),但是轉(zhuǎn)子力矩系數(shù)變化不大,由于大尺度下轉(zhuǎn)子抽吸作用更強,因此定子具有更大的阻力系數(shù);不過對于導管的尺度效應(yīng),兩文獻給出的結(jié)果則呈現(xiàn)相反的趨勢,這可能和導管拱度、傾角有很大的關(guān)系.陽峻等[75]采用和文獻[74]相同的泵噴模型研究了在推進系數(shù)和基于來流的傅汝德數(shù)一致時的尺度效應(yīng).

對于伴流對泵噴的影響,饒志強[27]的研究表明泵噴造成的實效的伴流分數(shù)比標稱值高51%,和普通七葉螺旋槳的有很大差異.董新國等[49]對導管參數(shù)的研究是考慮伴流的,結(jié)果表明導管參數(shù)和推力減額有顯著關(guān)系.

3 流場特性

泵噴的復雜結(jié)構(gòu)導致自身流場復雜,不同部件對水動力和流場的影響差異很大;不同的泵噴類型,相同部件的影響也有區(qū)別.目前對于泵噴流場的討論更多的是基于魚雷等高速航行器用的后置定子式和潛艇等大型航行器用的前置定子式.作為一個多部件、存在內(nèi)外流場的復雜推進器,泵噴在流場特性上和其他推進器既有很大的共性,又有顯著區(qū)別,幾何上和帶定子的導管螺旋槳很難分辨,但是各部件的設(shè)計及其之間的流場影響是有很大差異的.對于后置定子式,其轉(zhuǎn)子直接和來流作用,不存在定子尾跡的干擾,間隙處的流場受到導管內(nèi)壁面邊界層影響相對較小;在下游,轉(zhuǎn)子梢部流場和轉(zhuǎn)子尾流在和導管、定子的相互影響上更多的體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子尾流和定子的干擾;轉(zhuǎn)子的強大抽吸作用也會直接影響導管導邊區(qū)域流場,繼而導管外部流場.對于前置定子式,轉(zhuǎn)子工作在定子尾跡中,其梢部更是面臨著導管內(nèi)壁面發(fā)展的邊界層的影響;轉(zhuǎn)子尾流雖然不存在和定子的劇烈干擾問題,但是和下游導管的作用會顯著影響轉(zhuǎn)子受力以及間隙流體在下游的流動發(fā)展.

3.1 間隙流場

葉頂間隙是廣泛存在于導管類推進器和泵類機械內(nèi)的,泵噴的葉頂間隙和導管螺旋槳的葉頂間隙很大的區(qū)別是由于葉片自身的設(shè)計所導致的,泵噴葉片更多的是寬葉梢,更大的葉盤面可以形成更好的加速經(jīng)過的流體,在導管出口形成噴射流.

王濤和周連第[76]認為間隙流動來自于轉(zhuǎn)子葉片吸力面和壓力面的壓差、葉片與導管的相對運動的共同作用.對某后置定子泵噴流場的計算和分析表明間隙流影響轉(zhuǎn)子葉片通道的速度場,造成葉梢附近的間隙流速度增加并顯著影響定子流場導管附近流體速度;泄渦會影響轉(zhuǎn)子梢部吸力面壓力分布以及在定子導邊區(qū)域形成顯著的低壓區(qū).胡斌[20]的計算進一步表明,間隙流會顯著增加葉梢附近流體的徑向速度.文獻[21,43,69,77]等研究了雷用型后置定子泵噴的間隙流場.增大間隙尺寸會顯著加劇間隙流動,壓差作用在間隙流場的影響受到導管的限制更低,泄漏流動發(fā)展更加劇烈,如圖6(a),其中渦結(jié)構(gòu)為q[78]等值面表示.相較于后置定子,前置定子泵噴的轉(zhuǎn)子葉片梢部是工作在定子尾跡和導管壁面發(fā)展的邊界層流動下的,泄渦結(jié)構(gòu)具有顯著的不穩(wěn)定性[79],在導管出口處,和導管隨邊的脫落渦作用后就逐漸破碎,如圖6(b),其中渦結(jié)構(gòu)用Ω[80]表示.Huang等[45]和Yu等[70]研究了間隙對艇用型前置定子泵噴的轉(zhuǎn)子葉片流場的影響,前者的研究表明間隙流動的影響范圍主要在0.8～ 1.0 倍的轉(zhuǎn)子半徑處;后者的研究表明間隙流動在大間隙下還會增大下一個葉片壓力面隨邊梢部區(qū)域的壓力脈動.Ji等[71]研究了轉(zhuǎn)子梢部葉厚和縱傾對梢渦的影響,表明增加葉厚和縱傾可以顯著延遲泄渦并降低泄渦強度和渦內(nèi)壓力脈動,還能改善葉片梢部導邊處的極低壓,如圖7 所示.張凱和葉金銘[42]的研究表明,在間隙處的導管內(nèi)壁添加凹槽結(jié)構(gòu)有助于抑制梢渦.

圖6 泵噴間隙泄渦Fig.6 Tip clearance leakage vortex in pump-jets

圖7 增加葉片梢部厚度和縱傾[71]Fig.7 Thickening and raking the blade tip[71]

3.2 轉(zhuǎn)子與定子干擾流場

間隙流場反應(yīng)的是轉(zhuǎn)子和導管之間的相互作用,也對轉(zhuǎn)子和定子之間的相互作用有一定的影響,特別是后置定子泵噴,上游轉(zhuǎn)子的葉片通道出流和間隙泄流對下游定子的流場具有顯著影響[21,43,76].轉(zhuǎn)子出流的巨大切向速度會被定子整流;間隙流動會造成定子域內(nèi)軸面主流速度降低,在間隙的低壓影響下,在定子梢部的導邊形成周期性存在的低壓區(qū)域,影響導邊兩側(cè)的極高壓和極低壓,并且在下游定子葉面形成運動的局部低壓中心,如圖8;在轉(zhuǎn)子和定子的相互干擾下,轉(zhuǎn)子和定子的葉片推力脈動都和彼此的葉數(shù)相關(guān).

圖8 不同間隙下轉(zhuǎn)子、定子壓力[43]Fig.8 Pressure on rotor and stator blades under different tip clearance[43]

對于前置定子泵噴,轉(zhuǎn)子是工作在定子尾跡中的,上游周期性尾跡是轉(zhuǎn)子推力脈動的主要來源.定子的尾渦結(jié)構(gòu)會對轉(zhuǎn)子表面的流動產(chǎn)生不利影響.定子的葉片由于預(yù)旋角的差異,會在表面產(chǎn)生流動分離形成分離渦,不過強度較弱;定子在葉根沒有進行倒圓時會形成較強的葉根渦,和定子較強的隨邊渦一起影響轉(zhuǎn)子葉片表面流動,并和轉(zhuǎn)子的隨邊渦相互作用[79],如圖9.劉小龍[29]在進行泵噴水動力的勢流預(yù)報時,考慮了前置定子尾渦的影響,并將尾渦模型延伸到了下游轉(zhuǎn)子后方,不過,由于是基于勢流理論的方法,很難在計算結(jié)果上反映出差異.

圖9 定子尾渦系[79]Fig.9 Stator wake vortices[79]

對于定子和轉(zhuǎn)子之間的直接相互影響,前述的轉(zhuǎn)子與定子間距就是一個重要的參數(shù).劉業(yè)寶[18]得出較小的轉(zhuǎn)子-定子間距會增大定子對轉(zhuǎn)子的干擾強度.從Yu等[44]的研究可以看出轉(zhuǎn)子與定子間距對定子尾跡的強度有顯著影響.轉(zhuǎn)子與定子間距小,經(jīng)過定子的流體速度高,定子尾跡更強,而且此間距對定子尾跡的恢復有重要影響,特別是內(nèi)半徑(r/R≤0.5)區(qū)域,較大的轉(zhuǎn)子與定子間距,轉(zhuǎn)子進流是更均勻的,推力脈動更小.對比文獻[38]和[44]的環(huán)向速度分布也知,預(yù)旋角徑向一致的定子在下游內(nèi)半徑區(qū)域的尾跡更強、更寬.

3.3 尾流場

泵噴尾流場較其他水下推進器的而言,是高度軸流的,徑向和環(huán)向速度分量相對很小,特別是對于后置定子泵噴[10,15,43],環(huán)向速度分量占比更小并且軸向速度在徑向的分布更均勻,如圖10,其中Va,Vc和Vr分別表示速度的軸向、環(huán)向和徑向分量,U0表示泵噴迎流速度.此外,在輪轂結(jié)束后,徑向速度在尾流場輪轂尾端后是迅速恢復的[38,43];對泵噴導管的隨邊進行鋸齒化來降噪,導管出流的軸流特征不變[64].較強的梢部泄流,經(jīng)過定子域后在泵噴尾流場近場內(nèi)仍有顯著的局部速度梯度,整個泵噴出流的主流邊界在環(huán)向上越發(fā)不穩(wěn)定,并且不穩(wěn)定的脈動和定子數(shù)有明顯相關(guān)性[43];當導管隨邊存在鋸齒時,在尾流場0.5～ 1.0 倍推進器長度內(nèi),這種不穩(wěn)定被破壞,尾流主流邊界徑向更加均勻[64],如圖11,是尾流場0.75 倍推進器長度處的軸向速度.

圖10 泵噴導管出口速度分布Fig.10 Velocity distribution at the duct outlet

圖11 泵噴尾流場軸向速度[64]Fig.11 Axial velocity in pump-jet wake[64]

對于前置定子泵噴,Li等[39]基于RANS 結(jié)果討論了尾流場主流邊界附近壓力的軸向變化,在對比徑向變化基礎(chǔ)上,主流邊界附近因葉梢泄流和導管隨邊分離流的影響具有更多和軸頻、轉(zhuǎn)子葉頻相關(guān)的低頻壓力脈動分量.Li等[38]還對比了網(wǎng)格、湍流模型對渦結(jié)構(gòu)的影響,就算加密了網(wǎng)格,選取渦捕捉能力強的湍流模型對尾流場的精細計算也很重要,在RANS 計算下,過渡提高網(wǎng)格密度計算結(jié)果影響甚微.Li等[79]采用基于混合RANS/LES 對泵噴尾流場進行了計算和探討.由于沒有后置定子,葉頂泄漏渦在轉(zhuǎn)子下游并沒有被定子切割,但是在演化過程中變的非常不穩(wěn)定,有顯著的短波不穩(wěn)定性;在導管出口,葉頂間隙泄流渦和在導管內(nèi)部的脫落渦干擾后,顯著破裂,產(chǎn)生大量的二次渦結(jié)構(gòu),這些二次渦結(jié)構(gòu)進一步加速了主渦的破裂;此外,高負載下二次渦更多的是主渦之間的誘導生成,而不是來自于導管脫落渦的干擾.對于在尾流場主流區(qū)的內(nèi)部,前述的強定子渦在經(jīng)過轉(zhuǎn)子后,因和轉(zhuǎn)子葉根附近的渦系存在渦量交換,其強度發(fā)生了改變.在高負載下,較弱的定子渦在尾流場內(nèi)也有很大的強度;在低負載下,盡管定子渦很強,但是在尾流場內(nèi)強度不高.這些渦系還會進一步影響輪轂尾跡中的渦系.對于后置定子式泵噴,應(yīng)主要控制梢部結(jié)構(gòu),降低間隙泄流對下游定子流場的影響并削弱泵噴尾流場的定子尾跡特征;對于前置定子泵噴,首要是控制轉(zhuǎn)子梢部渦系結(jié)構(gòu),減小泄流及其在尾流場內(nèi)的影響,并削弱葉片根部附近的渦系,降低定子尾跡內(nèi)半徑處的尾跡不均勻性,削弱在泵噴尾流場中的定子尾跡特征,見圖12.

圖12 前置定子泵噴尾流場渦系[79]Fig.12 Wake vortices in the wake of a front stator pump-jet[79]

另外,前置定子泵噴的導管對轉(zhuǎn)子尾流的約束也影響了泵噴尾流場的形態(tài)[45].大的導管傾角或小的導管出口擴張系數(shù)增加了導管和轉(zhuǎn)子尾流的相互作用,使導管的出流具有更高的軸向速度;盡管縮小導管出口增加了對間隙泄渦的限制,但是由于轉(zhuǎn)子負載增大,間隙泄渦初始強度增大,在泵噴尾流場的泄渦也是顯著增強的.反之,過大的導管出口,泵噴尾流場軸流特性減弱,趨于和導管螺旋槳類似.

3.4 其他

當泵噴的應(yīng)用對象是大尺度航行器時,存在的水動力尺度效應(yīng)是由于流場改變導致的.文獻[66,74-75]都對泵噴尺度效應(yīng)對流場的影響進行了討論,但是三者在模型、實尺度的網(wǎng)格量和相似性的指定上有差異.實尺度下[74],見圖13 和圖14:轉(zhuǎn)子負載更高,轉(zhuǎn)子吸力面的低壓區(qū)域更大;抽吸作用更強,經(jīng)過定子的速度更高,定子吸力面低壓區(qū)更大;泄渦更強,對轉(zhuǎn)子葉面的影響范圍更大,并且對下游轉(zhuǎn)子葉片壓力面有顯著影響;此外,導管出口外側(cè)的流動分離變?nèi)?

圖13 壓力分布[74]Fig.13 Pressure distribution[74]

圖14 yOz 平面速度分布[74]Fig.14 Velocity distribution in yOz plane[74]

對于泵噴和航行體相互作用的研究,文獻很少,前述文獻[27]的研究表明伴流和普通螺旋槳的有很大區(qū)別.從文獻[49]的研究可以看出,導管前駐點附近的高壓對航行體尾端的壓力有明顯影響,見圖15.Li等[81]對比分析了敞水和實效伴流下泵噴的水動力和流場特性,來流方向的變化改善了導管的受力和流動分離以及定子的預(yù)旋流場(圖16).

圖15 泵噴導管和航行器尾端之間的壓力分布[49]Fig.15 Pressure distribution near between the pump-jet duct and vehicle tail[49]

圖16 導管流場的速度分布[81]Fig.16 Velocity distribution of duct flow field[81]

4 關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)

泵噴作為導管螺旋槳和軸流泵融合進階的先進水下推進器類型,國內(nèi)外應(yīng)用差距巨大且存在絕對的學術(shù)和技術(shù)封鎖.國內(nèi)許多方面仍處于發(fā)展階段,有許多問題需要解決,包括泵噴的整體優(yōu)化設(shè)計、間隙流動控制、尾流場特性及匹配技術(shù),本文尚未討論的噪聲預(yù)報、空化抑制、輕量化、減振降噪等,還有泵噴型式的衍生推進器、結(jié)構(gòu)材料、表面特性等.

首先,泵噴的結(jié)構(gòu)部件多,相互之間存在的影響復雜,因此在設(shè)計時跟普通的螺旋槳、導管螺旋槳有很大區(qū)別,難以將這些部件的參數(shù)都考慮進去.目前,在泵噴的優(yōu)化設(shè)計中,主要將某個部件獨立開來進行優(yōu)化,并未考慮各部件之間的協(xié)同優(yōu)化,乃至在伴流下的優(yōu)化.其次,間隙流場的存在不僅對快速預(yù)報是個難題,而且間隙流動的高精度獲取對黏流計算也是個挑戰(zhàn),不僅涉及復雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格生成,還有存在于網(wǎng)格建模和湍流模擬精度之間相互影響問題,對于空化和噪聲的計算則是更大的挑戰(zhàn),現(xiàn)有很多公開發(fā)表的翼型間隙的研究很難在復雜的泵噴模型上開展.再次,泵噴的高速出流使其尾跡在推進器下游傳播很遠,研究泵噴尾流的中遠場既考驗計算能力又依賴CFD 技術(shù)中的網(wǎng)格和湍流耗散水平.現(xiàn)有尾流場的討論都是在推進器尾流的近-中場,是具有很明顯流場特征的地方.然后,伴流對泵噴的影響跟常規(guī)推進器是不同的,泵噴具有更大的軸向尺寸,和航行體有更強的耦合性,來流方向的變化對泵噴各部件的水動力和流場的影響有很大差異.最后,泵噴更多的部件導致泵噴重量較常規(guī)螺旋槳大,減重是個不可避免的問題,特別是考慮到對航行器總體性能的影響.實現(xiàn)泵噴的減重也使泵噴的流固耦合問題需要進一步考慮,比如采用復合材料結(jié)構(gòu)時的減振降噪機理及工程化應(yīng)用.

5 展望

目前,盡管泵噴研究主要在傳統(tǒng)水動力學領(lǐng)域,但是常規(guī)水下推進器的研究已邁向綜合流體力學、聲學、材料、化學和仿生學等多個學科的階段.作為一種目前處于研究熱點的水下推進器,要瞄準低噪和高效,繼續(xù)為航行器總體要求服務(wù),不斷提高航行器的機動性和隱蔽性.未來泵噴的研究及應(yīng)用,將受益于多個學科的前沿成果,并突破特種推進器的局限,廣泛應(yīng)用于船海和軍事等領(lǐng)域.