基于导管凹槽结构的泵喷推进器梢部流动控制研究综述

第43卷 第1期2019年2月武汉理工大学学报(交通科学与工程版）Journal of W uhan U niversity of T ech n olog y(Transportation Science =Engineering)Vol.43 No. 1Feb.2019基于 槽结构的泵喷推进器梢部 综述"张凯1叶金铭1 于安斌1王友乾(海军工程大学舰船与海洋学院武汉430033)(海军上海地区装备修理监修室2)上海200000)摘要：为了抑制泵喷推进器梢空化，减小辐射噪声，类比航空发动机处理机匣原理，将处理机匣技 术应用到泵喷推进器上.针对此方法的应用，分析了航空发动采用处理机匣技术取得的成效和泵 喷推进器梢涡空化的研究现状，讨论了将处理机匣技术应用到泵喷推进器中方法的可行性和研究 内容.关键词：梢涡空化；泵喷推进器；处理机匣；辐射噪声；减震降噪中图法分类号：U661.30引—泵喷推迸器是一类前置定子导管桨和后置定 子 桨的统称，一般由三部分组成，分別是导管、转子和定子，因其具有推 泡发生，降低辐噪声〜8]和提高推 率 点，用到水下航行器中.但因其结构复杂，阳转子 小，会形成复杂涡系，造 区，引发梢 梢涡 ，产 噪声，导致推器噪声 增加.此外，涡系的产 会引发转子 产生激振，产生结构 噪声，所以 丨泵喷推迸器梢涡 泵喷推迸器辐射噪声的重要途径.潜艇泵喷推迸器与航空发动压气机结构非常 相似，都具有外部固 状 部 工作 子，转子叶梢 着复 涡系，航空发机压气机在梢涡 技术方面已经得到了长足发展，其中“处理机匣”是公 熟 场技术 .所谓“处理机匣”[911]，抟子 梢 加 工 形 状 槽，当转子 时，槽 发生抽吸和喷射，改梢涡 形态，从而可以达到 梢涡强收稿日期'018-12-16张凯（1995—）：男，硕士生，主要研究领域为舰船水动力国家自然科学基金项目资助（51579243)doi：10.3963/j.issn.2095-3844. 2019. 01.024度的目的，见图1.虽然航空发动机压气机处理机匣技术主要目 的是通过 梢涡提高压气机转子流场的稳定，这 泵喷推迸器梢涡 不同，但梢涡诱发的不利影响.而且处理机匣技 术不仅在高速压气机中得到 用，在低速压气机 有大 用，低速压气机可 以不 可 ，与潜 艇 泵 推 器处 理 方 法 ，，潜 艇 泵 推 器可以借 气机的处理机匣技术，在泵喷推迸器 设 槽用于 梢涡流场，削弱梢部涡系强度，改变压力场分布，抑制转子梢 涡发@第1期张凯，等:基于导管凹槽结构的泵喷推进器梢部流动控制研究综述-119 -1囯内外研究现状1.1泵啧推进器梢涡及空化研究泵喷推进器流场中存在多个相互干扰的组 件，包括导管、转子和定子，以及艇体的影响，这也 决定了泵喷推进器流场的复杂性.泵喷推进器的 梢部空化是叶梢附近多涡系间相互干扰而产生的 复杂的现象，由于泵喷推进器空化的复杂性，其机 理研究多采用实验观测的方法，国外在实验测量 方面做了大量工作•Chesnakas™采用三维激光 多普勒测速仪对两个几何相似的泵喷推进器在不 同工作雷诺数下的空化现象进行了研究，分析了 不同数对空化形态与空化初生条件的影响. Wang等[13]采用多普勒测速仪对一台吊舱螺旋桨 在不同斜流角度情况下的空化流场及空化初始条 件进行了测量•Murayama[14]则探索了叶片振动 过程中，叶片与导管间隙中空化的发展特点.W) 等[15]采用了透明材料制作了一台泵喷推进器，观 察了空化发生的初始位置、发展轨迹、以及与漩涡 流场的关系.从以上研究来看，泵喷推进器空化的 机理研究多采用流场测量与空化形态观察结合的 方法.尽管如此，当流场的非定常性十分明显，或 有激光无法达到流场区域时，三位多普勒测速仪 很难满足测量的要求•采用数值预测与实验观测相结合的方法能够 大程 场及 测 .泵推进器流场特征及空化进行预测的方法主要有两 种：基于势流理论的面元法与求解雷诺平均纳维-斯托克斯（Navier-Stokes)方程.两种方法都能够 对转子流场进行精细化计算，但是侧重点各有不 同.面元法[16$1]求解迅速，且能适应多种复杂情 况，如非定常来流情况、非定常力预测[22]、空化预 报及多部件干扰.这种方法开展时间较早，积累经 验较多，解学参等[23]采用面元法分别计算了导 管、螺旋桨、导管与螺旋桨相互干扰下的内流场水 动力性能，得到了三种条件下的诱导速度.刘占一 等[24]基于计算流体力学方法（CFD)，应用商用软 件C FX对某泵喷推进器的水动力性能进行了数 值仿真研究，研究了网格尺度和湍流模型对计算 结果的影响.窦凤祥[25]采用面元法计算了在均勻 伴流下和假定伴流下导管桨的非定常水动力性 能，并与试验值和他人计算结果进行对比，验证了 该数值计算方法的准确性.吕晓军等[6]采用有限体积法通过求解雷诺时均方程分别计算泵喷推进 器和SUB0F F A F F—3模型水动力性能，并与试 验值进行对比，误差较小，验证了该计算方法的精 度.王国强等[27]采用基于速度势的面元法求解带 定子的导管螺旋桨周围流场，通过迭代计算处理 他们之间的相互干扰.但过多的假设使得应用范 围较为狭窄，多用于水翼和钝头绕流等固定或随 时间变化不大的片状空化，在获取流场细节，如涡 系结构时，显得力不从心.采用R A N S方法虽然耗时较多，但能够适应 更多的问题需求.从上世纪90年代开始，利用求 解R A N S方程研究空化问题的模型开始发展起 来.与基于势流理论的模型相比，利用求解RANS 方程可以更好地考虑液体黏性对空泡形成、发展、溃灭的影响，并且通过和湍流模型的有机结合，不 仅能够模拟固定或者随时间变化不大的片状空 化，而且能够模拟空化云、旋涡空化等非定常空 化.在流场测量方面，求解R A N S方程能够处理 复杂的流场情况，以及流固耦合问题，如叶片振动 等.胡欲立等[28]采用计算流体力学方法（CFD)，运用商用软件F L U E N T对泵喷推进器的内流场 进行了数值仿真，计算模型采用单通道，采用混合 网格对其进行网格划分，通过计算获得了泵喷推 进器转子叶片和定子叶片上的速度分布和表面压 力分布，并由此计算了泵喷推进器的效率和所产 生的推力.舒春英[29]基于两类相对流面理论，在 给定泵轴面流道形状的基础上，通过改变沿轴面 流线的速度矩分布方式、叶片进口液流角、叶片厚 度最大位置等，采用奇点分布法对喷水推进泵进 行三维反问题优化设计，并通过Fortran语言编 程来实现这一优化过程，利用Fluent软件对初始 优化的叶片进行内部流场数值计算，预测泵的性 能，并以数值模拟结果作为依据对泵进行更进一 步的优化，最终确定出满足设计要求的叶型.饶志 强[30]采用计算流体力学方法（CFD)和势流方法 分别计算前置定子泵喷推进器定常水动力性能，并与试验结果对比，发现CFD方法的预报精度好 于势流理论，然后采用CFD方法分析总结了定子 安装角度、定子叶厚、定子叶数对泵喷推进器敞水 性能的影响规律.施瑶等[31]采用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术，运用 商用软件C F X对带后置定子的某泵喷推进器进 行三维全通道定常湍流计算，得到了其在空化条 件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度 对泵喷推进器的空化特性的影响.通过与试验值-120 -武汉理工大学学报（交通科学与工程版)2019年第43卷对比，验证采用该方法对空化流场进行数值模拟 能够较好地预测空化发生部位.为了捕捉流场细 节，分析梢涡产生机理，张军等[32]采用P IV某泵 喷推进器的流场进行了测量，明显可以看出螺旋 桨梢涡、毂部涡、螺旋桨上下表面脱落的旋向相反 的尾涡，以及近导管内壁、桨毂壁面涡等，并且随 着负荷增大，涡强增加.梢隙涡也是梢涡的一种，由于流道狭窄，流体 在梢隙位置发生剧烈扰动，产生了更为复杂的涡 系.目前国内外学者研究的重点主要集中在尾涡 上，对梢隙涡的研究较少.目前针对梢隙网格划分 方法，刘登城等）3]建立一种网格拓扑方式，采用 混合面的方法，选取SST湍流模型，对梢隙流动进行了数值模拟，结果表明泵喷推进器梢隙处 的流动存在四中涡结构，网格拓扑结构对梢隙流 动的模拟结果有很大影响，结构网格相对于非结 构网格在精度相当的情况下更能准确预报流场. 此外采用同中方法研究了导管间隙对泵喷推进器 水动力性能的影响，研究发现组合式推进器受到 的推力、扭矩以及艇后效率均随着导管间隙的增 大而减小，且导管间隙影响转子0.ER!1. 0R的负荷分布.鹿麟等）4]采用R A N S方程和分块网格 技术对E779A桨进行了非空化和空化模拟，与实 验值对比验证了计算方法的准确性.采用此种方 法探讨了不同导管间隙对空化性能影响，结果表 明未发生空化时，间隙越大，泵喷推进器整体效率 越低，并对泵喷推进器的最优进速系数产生影响& 当发生空化时，间隙尺寸越大，空化后的推进器效 率越低，且转速越大，较大间隙的推进器在叶梢处 产生的空化面积激增量越明显.王涛等[35]采用 R A N S方法，利用多重网格技术加快收敛速度，求解中采用IL U光顺技术.分析了间隙流的形成 机理，泄涡的形成、输运和发展、扩散和消失过程，同时讨论了间隙流动的存在对转子设计的要求. 1.2航空发动机梢涡控制研究目前，处理机匣技术已经广泛应用到航空发 动机上，从实际应用情况来看，控制涡系效果比较 显著.前期国内学者也对处理机匣特征参数进行 了数值计算，分析了不同特征参数的处理机匣对 航空发动机的影响.吴昌明等[36]通过改变处理机 匣特征参数来探究其对多级轴流压气机性能的影 响，结果表明，当处理机匣对一级转子叶尖覆盖比 变化时，均勻进气条件下的压气机性能变化不明 显；当覆盖比不变，容腔比变化一定数值时，压气 机具有最优性能.脱伟等）7]通过改变处理机匣凹槽数量探究处理机匣激励频率对跨声速压气机性 能的的影响，结果表明，处理机匣凹槽数量是影响 压气机性能关键因素之一，对于近设计转速下峰 值效率，综合裕度和最大流量都得到了大幅度提 升.高鹏等[38]对带沿气流流向槽的低速离心压气 机进行数值模拟，探究了处理机匣的扩稳机理和 对叶顶间隙泄露涡和二次流等非稳态三维紊流流 动的影响.针对处理机匣工作机理，也有学者进行 了探究，陈仰军等）9]采用Numeca CFD软件针对 某多级高压压气机第一级叶尖间隙流场和具有轴 向斜槽处理结构的的流场进行非定常计算，结果 表明，轴向斜槽处理机匣能够衰减或是消除叶尖 的泄露涡，推迟失速的发生，通过叶尖附近气流在 高压作用下从压力面尾缘进人斜槽，而后气流在 叶背前缘以高速由斜槽射人主流，进而有效扫除 叶尖易失速的附面层，从而延迟气流分离，扩大压 气机的失速裕度并减少二次流损失.处理机匣技术在一定程度上能够控制涡系，解决航空发动机“喘振”问题，但同时也会带来失 稳现象.为了解决这一问题，对处理机匣进行多样 化设计，以寻求最优的处理机匣形式.刘建勇等）0]为解决传统处理机匣对压气机“扩稳降效”的现象，设计多种非轴对称处理机匣进行实验探 究，验证了当非轴对称处理机匣轴向处理范围为 12 0 °时，起到扩稳增效的效果.张辉等[41]在低速 大尺寸 气机 验 ，用高 探针 测有处理机匣扇形段的实壁机匣尾流场，结果表明 该处理机匣能够有效削弱转子尖区高涡量低能物 质的堆积，扩大稳定工作裕度.旷海洋等[42]采用 实验 拟 方法 声气机进行数值仿真，探讨了三种与轴向成不同角 度的处理机匣对该压气机稳定性的作用，详细分 析了不同处理机匣在不同工况下叶梢顶部流动结 构，载荷分布，处理机匣槽内流动状况等.经研究 发现，随着凹槽和轴向夹角增大，处理机匣的扩稳 能力先增强后减弱，大流量工况下，转子叶顶载荷 增加，转子的等熵效率降低.1%转子叶梢漩涡流场被动控制的研究进展 泵喷推进器与航空发动机压气机十分类似，机械结构上，二者都具有外环包裹的转子，流场结 构 ，子 梢 着复 涡系 @ 气机转子梢部涡系的控制技术已有长足的发展，其中，“处理机匣”是公认的较为成熟的流场被动控制技 术之一.处理机匣，即在转子叶梢附近的包容环内 加工 形 状及组合 槽，当过第1期张凯，等:基于导管凹槽结构的泵喷推进器梢部流动控制研究综述-121 -槽时，槽内流体在压力作用下发生抽吸与喷射，从 而达到 子叶梢 .，处理机匣 梢流动控制较好的凹槽形式有两种：轴向槽与环形槽.由于处理机 匣内部 分复杂，其工作机理到 为止仍不完 确#为轴向槽的工作机理为'抽 力面 ，经由槽 ，在梢 出，破坏 梢 涡.环形槽的工作机理为：在叶梢压力面与吸力面之间形持续的抽 作用区，高 形槽被抽吸到区.随着 抽走，叶梢涡系的结构形状 发 ，且叶梢流场得到重构.对两 槽结构形式 气机 用 ，它们能够很好 梢 ，削梢泄出涡涡 丨压，并且増加转子叶梢 损失.于泵喷推进器而言# 槽恰好可以用于 桨梢流场，削弱梢部涡系 ，改力场分布，从而抑 子梢涡 发生.2导管凹槽初步计算结果1)凹槽形式导管内壁凹槽布置形式同样分为轴向凹槽 向凹槽，目前为止，仅 向凹槽 初步探索.图2为周向凹槽布置形式.此布置形式 槽沿转子周向分布，其位置位于子叶梢 ，至于凹槽的具体位 征 ，过 才能确定.. 槽，有 很 工作 .a)单通遒导管的下表面_b)_f e形凹槽图2装有凹槽的导管示意图2)数值计算方法采用高质量的结构网格对流场 ，研究不同的网格密 I 湍 梢涡 结 影响，确定能对子梢涡 合 网分方 法 湍 .分为 子 区其 位的固定区域，整 均采用结构网 分.对旋转区域的处理有两种方法：M R F方法！坐标系方法） 网格方法.在计算推进器的非定常性能时，先用M R F方法对艇和推进器整 [场 常 ，待 ，将定常 得到的流场作为滑移网格计算的初始值，进行非定常 计算，这样会大大减少 时间.3)初 结果为了验证处理机匣技术应用到泵喷推进器 有 ，前期些基础性工作.本 象为某 泵喷推进器，来流速度设置为泵喷推进器 大航速，湍流用分离涡.针对有凹槽泵喷推进器和无凹 槽泵喷推进器在相同工 水动力计算，并分 出子叶梢压力分布云图，见图3.由图 3 可 ，有 槽 于 无 槽力分布更加均匀，凹槽 破坏形成，提 力，推 发生.图！为转子叶梢压力分布云图，低压区梢前缘部位，从压力分布云图来看，凹槽 ：改 部位 力分布# 范围小.. 子叶梢压力分布来看，机匣原理应用到泵喷推进器上改 梢，使流场得到重构# 梢 ，推迟发生，对泵喷推进器减震降噪有 作用.a)无凹槽b)有凹槽图3导管压力分布云图a)无凹槽b)有凹槽图!!梢力分布图3尚需解决的问题3.1网格数量过多泵喷推进器多用于水下航行器，为了避免缩 尺比带来影响，一般采用实尺 其 1数.网 分时，一般分成三个区域，分 t、定子 子域.对转子域而言，由于梢涡流场 捕捉#子叶梢 部 分 加 密 . 为网造 ，定子 梢 *加密，周向节点布置时[和-122 -武汉理工大学学报(交通科学与工程版"2019年第43卷有凹槽时相同.采用机匣处理的导管内壁凹槽数 ，导致周向节点 过多#增加了网 格数量.为了保证 槽加密的同时又不至于增 加过多网 ，将定子 分为导■槽域两部分，分 网分，见图5.经初步探究，凹槽节点为原来3倍时，两部分网 依 旧比原来少了近300万. rrra)2.5|’l力b)5.5 瓦万 c)10百万图5转子梢涡示意图3.2泵喷梢涡缺乏试验数据到为止，在泵喷推进器梢涡研究过程中，有人专门针对泵喷推进器不同工况下涡和梢涡 验测量.在前期方法探索中，也只能 针对某一标准桨 敞水性能 并将结 实 验 ，以此来验证方法的可 .但标准桨和泵喷推进器 ，在结构 大，尤其本 而言，导管和定子 场影响较大，而 处理机匣又是在导管内壁进行凹槽处理.由于没 有 验 ，期 能 针 标 准 桨方法 探 索 .3.3梢隙流动处理和梢涡流动精细化数值计算研究泵喷推进器转子梢部与导管之间有一定间 隙#水 速 非常大，进行CFD 时，对网 分 非常高，必须采用高质结构网格.另外梢涡 ，它子 处开始 ，并向 ^泄，涡核的轨迹、梢涡的形状 先均是未知，且受到 扰，在涡 区网格更高，这 采用方法寻找梢涡的轨迹，并且采用非定常的方法进 .3.4导管内壁凹槽对转子梢涡影响机理和影响规律 ：泵喷推进器转子在转动时，转子叶梢和凹槽 非常 互作用，导致凹槽 发生抽吸和喷射，凹槽内流体的抽吸和喷射又会强 影响 梢涡 形 ，子 梢 涡槽这 互作用 非线性和非定常，必须采用合 湍 高 结构网，才能分析凹槽 子梢涡的影响机理，为凹槽的参数优化设计打下基础.4 结 论针对泵喷推进器梢涡问题，类比航空发动机 处理机匣技术，采用 加工凹槽的结构形式对泵喷推进器梢涡 ，抑制梢涡 ，进而抑制梢涡 子叶梢 ，达到 泵喷推进器辐射噪声 .该方法有航空领用基础，工程实施难度低，可操作 ，但 丨在这方面 很少，尚有很多工作 深 ：1"合网结 构 子 梢内壁间距较小，转子 时，叶梢 扰动剧，产生复杂涡系.为了捕捉叶梢 场，划分网格时 区加密，但是，由于 过小，节点布 会导致网 .考子 结构化网 分时，为了提高网 ，难以保证节点过渡均勻.2"凹槽特征 同一形式凹槽会因其不同 征 带来不同 ，例如，凹槽的长度，跨度，深 ，尺寸 有可能带来截 丨.3"前期方法探索时，为了确保计算数值精 度，需要考虑定子、舵等附体影响.同时为了验证 准确度，需要泵喷推进器梢涡试验数 据 ，然而国内暂时 有学 过关试验.参考文献[1] M I C H A E L C.Time domain c a 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