泵喷推进器沟槽梢涡控制效果及敞水性能研究_孙大鹏.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 4 月哈尔滨工程大学学报Journal of Harbin Engineering UniversityVol44 4Apr2023泵喷推进器沟槽梢涡控制效果及敞水性能研究孙大鹏1，叶金铭1，邹笑宇1，吴原润1，史宝雍2(1海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033;291697 部队，山东 青岛 266000)摘要:为控制泵喷推进器梢隙流场，抑制梢涡空化，在导管内壁开设了一定数量的沟槽结构进行研究。本文基于分离涡模拟方法并结合高质量结构化网格对泵喷推进器的梢隙流场进行了数值计算，设计并开展了基于拖曳水池的泵喷推进器敞水性能试验，对比分析了沟槽结构对梢涡形状、梢涡涡核压力和敞水性能的影响。研究表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力，涡核相对压力时均值最少可提高 36.57%，在转子尾缘后梢涡低压区域体积可以减少 65.8%，能有效延迟梢涡空化，并且对泵喷推进器的水动力性能影响较小，在推进效率上还有一定的改善作用。关键词:泵喷推进器;梢隙流场;沟槽结构;分离涡模拟;结构网格;梢涡;空化;敞水性能DOI:1011990/jheu202110057网络出版地址:https:/knscnkinet/kcms/detail/231390U202212261852005html中图分类号:U661.31文献标志码:A文章编号:1006-7043(2023)04-0538-08Tip vortex control effect and open-water performance ofgrooves in a pumpjet propulsorSUN Dapeng1，YE Jinming1，ZOU Xiaoyu1，WU Yuanrun1，SHI Baoyong2(1 College of Ship and Ocean，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2 No 91697 Troops of PLA，Qingdao266000，China)Abstract:To control the flow field of tip clearance in a pumpjet propulsor and suppress tip vortex cavitation，a cer-tain number of grooves were set in the inner wall of the duct of a pumpjet propulsor Based on the detached eddysimulation method and high-quality structured grid，a numerical calculation of the tip clearance flow field of thepumpjet propulsor was performed，and an open-water performance test of the pumpjet propulsor based on a towingtank was designed and performed The effects of groove structure on the shape of the tip vortex，tip vortex core pres-sure，and open-water performance were compared and analyzed The results show that the groove structure can sub-stantially increase the core pressure of the tip vortex，the mean value of the relative pressure of the vortex core canbe increased by at least 36.57%，and the volume of the low-pressure region of the tip vortex behind the rotor trai-ling edge can be reduced by 658%，which can effectively delay the tip vortex cavitation In addition，the groovestructure has little impact on the hydrodynamic performance of the pumpjet propulsor and can improve the propul-sion efficiency to a certain extentKeywords:pumpjet propulsor;tip clearance flow field;groove structure;separate vortex simulations;structuredmesh;tip vortex;cavitation;open-water performance收稿日期:20211021网络出版日期:20221227基金项目:国家自然科学基金项目(51579243)作者简介:孙大鹏，男，硕士研究生;叶金铭，男，副教授，硕士生导师通信作者:叶金铭，E-mail:yjmcx2318 163com泵喷推进器转子叶梢与导管内壁之间存在一个很小的叶梢间隙，该位置流场是整个泵喷推进器导管内流场中最复杂的。梢隙流场中时刻伴随着涡结构的生成、发展、输运和扩散，并与转子通道的主流场不断发生相互作用12，整个过程伴随着剧烈的动量交换，极易引发推进器空化3。鹿麟等45 在研究泵喷推进器流场特性时，通过分析不同转速和叶梢间隙条件下泵喷推进器的梢隙流场，详细地描述了梢隙流场中涡结构的生成、发展、输运和扩散过程。文献 68通过试验研究了梢涡空化现象，Chesnakas 等6 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 e 数对空化形态与空化初生条件的影响，Oweis 等78 通过导管螺旋桨试验研究发现在转子尾缘后会发生涡空化。Wu等910 使用透明材料加工制作了喷水推进器，并且在试验中发现空化首先出现在梢涡中，随着转子负载增加，叶梢端面也会发生空化。尽管泵喷推进器与导管螺旋桨和喷水推进器在结构上有所差异，但第 4 期孙大鹏，等:泵喷推进器沟槽梢涡控制效果及敞水性能研究叶梢与导管内壁之间的梢隙流动是相似的。从上述研究中可以得出结论，梢隙流动中空化主要发生在梢涡中。空化发生后，推进器辐射噪声会急剧增加，进而限制水下航行体的隐蔽性。为解决泵喷推进器的梢涡空化问题，叶金铭等1112 类比处理机匣技术在压气机中的应用，在泵喷推进器导管内壁上布置了一系列沟槽来实现对梢涡的控制，使用 STA-CCM+研究了湍流模型、时间步长和网格数量等参数的选取对梢涡强度计算结果的影响，初步验证了沟槽结构对梢涡有控制效果。为了深入研究沟槽结构对梢涡涡核压力的控制效果和泵喷推进器水动力性能的影响，本文将针对敞水条件下的某泵喷推进器，在导管内壁开设一定数量的轴向矩形沟槽，基于分离涡模拟方法并结合高质量结构化网格对泵喷推进器的梢隙流场进行了数值计算，设计并开展了基于拖曳水池的泵喷推进器敞水性能试验，通过数值计算研究了沟槽结构对梢涡的控制效果，并结合试验结果研究了沟槽结构对泵喷推进器敞水性能的影响。1梢涡流场数值计算方法及其验证1.1控制方程和湍流模型在流体不可压缩的条件下，流场的连续方程和动量方程为:uixi=0(1)(ui)t+(uiuj)xj=giPxi+xjuixj uiuj()(2)式中:ui、uj为各速度分量的时均值(i，j=1，2，3);P 为压力的时均值;为流体的动力粘性系数;gi为重力加速度分量;uiuj为雷诺应力项。本文使用分离涡模拟(detached eddy simula-tion，DES)1314 湍流模型，DES 作为一种混合模型，将大涡模拟(large eddy simulation，LES)方法和雷诺平均法(eynolds-averaged navier-stokes，ANS)的优点结合到了一起，在边界层内利用 ANS 模拟，在边界层外采用 LES 进行数值，对流场中梢涡的捕捉效果更好。目前 DES 模型在基于计算流体动力学方法的转子梢涡流动研究中被广泛使用。1.2梢涡流场数值计算方法验证为了对数值计算方法的准确性进行验证，本文选取泰勒水池的 DTMB 5168 五叶桨为计算模型，螺旋桨直径 Dm为 402.7 mm，使用 DES 湍流模型对螺旋桨的梢涡流场进行数值计算。以桨盘面中心为坐标原点，计算域速度进口与桨盘面距离为 5Dm，计算域压力出口与桨盘面距离为 10Dm，外圆柱面直径为10Dm，计算域壁面设置为对称面，桨叶表面设置为无滑移壁面，对于 DES 的壁面处理选择 All y+壁面处理，最小允许壁面距离为 1.0106m。使用 O 型网格对螺旋桨壁面附近的网格进行划分，同时对螺旋桨桨叶导边、叶梢和梢涡所在位置处的网格进行加密处理，整个螺旋桨计算域的网格数量为 2 000 万，对进速系数 J 为 1.1 时的螺旋桨梢涡流场进行计算，提取螺旋桨下游 x/为0.238 6处涡核轴线位置所在半径处一定角度 范围内无因次轴向速度(Vx/U)、周向速度(Vt/U)和径向速度(Vr/U)的分布情况，并与试验值15 进行比较，如图 1 所示，其中涡核轴线处周向角 定为 0。图 1x/=0.238 6 处通过涡核轴线的周向速度分布Fig1Tangential velocity distribution across the vortexcore axis at x/=0.238 6从图 1 中可以看出，计算结果与试验结果吻合度较高。这说明本文所建立的数值计算方法对梢涡涡核处速度分布的预报效果较好，具有较好的适用性。2泵喷推进器梢涡流场数值模拟2.1研究对象与计算模型在叶梢压力面和吸力面压力差的作用下，流体从转子压力面流经叶梢间隙翻转到转子吸力面，在叶梢吸力面附近会形成梢泄涡，本文研究的重点为泵喷推进器梢泄涡，简称梢涡。以某泵喷推进器为计算模型，如图 2 所示，泵喷推进器为前置定子式，导管采用加速型导管，转子 7叶，定子 13 叶，叶片剖面均为 NACA 翼型，转子直径为 248 mm，导管内壁与转子叶梢端面最小间隙为1.87 mm，最大为 2.62 mm。图 2泵喷推进器几何模型Fig2Geometry of pumpjet propulsor935哈尔滨工程大学学报第 44 卷在导管内壁开设一定数量的矩型沟槽，将转子叶梢前缘所对应的沟槽深度定义为沟槽深度 H，转子叶梢轴向长度为 L0。沟槽结构的示意图如图 3、4所示，沟槽深度 H 为 7.5 mm，沟槽宽度 B 为 6 mm，沟槽数量为 N 为 100。图 3沟槽结构示意Fig3Schematic diagram of groove structure图 4沟槽结构布置示意Fig4Schematic diagram of arrangement of groove struc-ture2.2计算域与网格划分将整个计算域划分为外域、定子域、转子域和叶顶域。以转子直径 D 为基础尺寸布置外域，转子盘面距外域进口和外域出口的距离分别为 5D、11D，外域直径为 7D，将桨毂延伸至外域进口。定子域、转子域以及叶顶域划分形式如图 5 所示。图 5定子域、转子域、叶顶域划分形式Fig5Division of stator domain，rotor domain and bladetop domain在计算域中，外域进口设置为速度进口，外域出口设置为压力出口，外域圆柱壁面设置为对称面，导管、