基于導管凹槽結構的泵噴推進器梢部流動控制研究綜述*

張 凱 葉金銘 于安斌 王友乾

(海軍工程大學艦船與海洋學院1) 武漢 430033) (海軍上海地區裝備修理監修室2) 上海 200000)

0 引 言

泵噴推進器是一類前置定子導管槳和后置定子導管槳的統稱，一般由三部分組成，分別是導管、轉子和定子，因其具有推遲空泡發生，降低輻射噪聲[1-8]和提高推進效率的優點，目前已經廣泛應用到水下航行器中.但因其結構復雜，導管和轉子之間間隙較小，會形成復雜渦系，造成低壓區，引發梢隙空化和梢渦空化，產生空化噪聲，導致推進器噪聲顯著增加.此外，渦系的產生還會引發轉子和導管產生激振，產生結構振動噪聲，所以控制泵噴推進器梢渦是降低泵噴推進器輻射噪聲的重要途徑.

潛艇泵噴推進器與航空發動壓氣機結構非常相似，都具有外部固定的環狀導管和內部旋轉工作的轉子，轉子葉梢都存在著復雜的渦系，航空發動機壓氣機在梢渦控制技術方面已經得到了長足發展，其中“處理機匣”是公認的比較成熟的流場被動控制技術之一.所謂“處理機匣”[9-11]，即在轉子葉梢附近的導管內壁上加工一定形狀的凹槽，當轉子葉片轉動時，槽內流體發生抽吸和噴射,改變梢渦的強度和形態，從而可以達到控制梢渦強度的目的,見圖1.

圖1 壓氣機軸向凹槽的“處理機匣”結構

雖然航空發動機壓氣機處理機匣技術主要目的是通過控制梢渦提高壓氣機轉子流場的穩定性，這雖然和泵噴推進器梢渦控制的目的不同，但都是控制梢渦誘發的不利影響.而且處理機匣技術不僅在高速壓氣機中得到廣泛應用，在低速壓氣機中也有大量應用，低速壓氣機的流體介質可以看成是不可壓縮流體，與潛艇泵噴推進器流體介質處理方法相似，因此，潛艇泵噴推進器可以借鑒壓氣機的處理機匣技術，在泵噴推進器導管內壁上設置凹槽用于控制梢渦流場，削弱梢部渦系強度，改變壓力場分布，抑制轉子梢渦空化的發生.

1 國內外研究現狀

1.1 泵噴推進器梢渦及空化研究

泵噴推進器流場中存在多個相互干擾的組件，包括導管、轉子和定子，以及艇體的影響，這也決定了泵噴推進器流場的復雜性.泵噴推進器的梢部空化是葉梢附近多渦系間相互干擾而產生的復雜的現象，由于泵噴推進器空化的復雜性，其機理研究多采用實驗觀測的方法，國外在實驗測量方面做了大量工作.Chesnakas[12]采用三維激光多普勒測速儀對兩個幾何相似的泵噴推進器在不同工作雷諾數下的空化現象進行了研究，分析了不同Re數對空化形態與空化初生條件的影響.Wang等[13]采用多普勒測速儀對一臺吊艙螺旋槳在不同斜流角度情況下的空化流場及空化初始條件進行了測量.Murayama[14]則探索了葉片振動過程中，葉片與導管間隙中空化的發展特點.Wu等[15]采用了透明材料制作了一臺泵噴推進器，觀察了空化發生的初始位置、發展軌跡、以及與漩渦流場的關系.從以上研究來看，泵噴推進器空化的機理研究多采用流場測量與空化形態觀察結合的方法.盡管如此，當流場的非定常性十分明顯，或有激光無法達到流場區域時，三位多普勒測速儀很難滿足測量的要求.

采用數值預測與實驗觀測相結合的方法能夠最大程度的對流場及空化進行測量.目前對泵噴推進器流場特征及空化進行預測的方法主要有兩種：基于勢流理論的面元法與求解雷諾平均納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程.兩種方法都能夠對轉子流場進行精細化計算，但是側重點各有不同.

面元法[16-21]求解迅速，且能適應多種復雜情況，如非定常來流情況、非定常力預測[22]、空化預報及多部件干擾.這種方法開展時間較早，積累經驗較多，解學參等[23]采用面元法分別計算了導管、螺旋槳、導管與螺旋槳相互干擾下的內流場水動力性能，得到了三種條件下的誘導速度.劉占一等[24]基于計算流體力學方法(CFD)，應用商用軟件CFX對某泵噴推進器的水動力性能進行了數值仿真研究，研究了網格尺度和湍流模型對計算結果的影響.竇鳳祥[25]采用面元法計算了在均勻伴流下和假定伴流下導管槳的非定常水動力性能，并與試驗值和他人計算結果進行對比，驗證了該數值計算方法的準確性.呂曉軍等[26]采用有限體積法通過求解雷諾時均方程分別計算泵噴推進器和SUBOFF AFF-3模型水動力性能，并與試驗值進行對比，誤差較小，驗證了該計算方法的精度.王國強等[27]采用基于速度勢的面元法求解帶定子的導管螺旋槳周圍流場，通過迭代計算處理他們之間的相互干擾.但過多的假設使得應用范圍較為狹窄，多用于水翼和鈍頭繞流等固定或隨時間變化不大的片狀空化，在獲取流場細節，如渦系結構時，顯得力不從心.

采用RANS方法雖然耗時較多，但能夠適應更多的問題需求.從上世紀90年代開始，利用求解RANS方程研究空化問題的模型開始發展起來.與基于勢流理論的模型相比，利用求解RANS方程可以更好地考慮液體黏性對空泡形成、發展、潰滅的影響，并且通過和湍流模型的有機結合，不僅能夠模擬固定或者隨時間變化不大的片狀空化，而且能夠模擬空化云、旋渦空化等非定常空化.在流場測量方面，求解RANS方程能夠處理復雜的流場情況，以及流固耦合問題，如葉片振動等.胡欲立等[28]采用計算流體力學方法(CFD)，運用商用軟件FLUENT對泵噴推進器的內流場進行了數值仿真，計算模型采用單通道，采用混合網格對其進行網格劃分，通過計算獲得了泵噴推進器轉子葉片和定子葉片上的速度分布和表面壓力分布，并由此計算了泵噴推進器的效率和所產生的推力.舒春英[29]基于兩類相對流面理論，在給定泵軸面流道形狀的基礎上，通過改變沿軸面流線的速度矩分布方式、葉片進口液流角、葉片厚度最大位置等，采用奇點分布法對噴水推進泵進行三維反問題優化設計，并通過Fortran語言編程來實現這一優化過程，利用Fluent軟件對初始優化的葉片進行內部流場數值計算，預測泵的性能，并以數值模擬結果作為依據對泵進行更進一步的優化，最終確定出滿足設計要求的葉型.饒志強[30]采用計算流體力學方法(CFD)和勢流方法分別計算前置定子泵噴推進器定常水動力性能，并與試驗結果對比，發現CFD方法的預報精度好于勢流理論，然后采用CFD方法分析總結了定子安裝角度、定子葉厚、定子葉數對泵噴推進器敞水性能的影響規律.施瑤等[31]采用基于Rayleigh-Plesset方程均質多相模型和滑移網格技術，運用商用軟件CFX對帶后置定子的某泵噴推進器進行三維全通道定常湍流計算，得到了其在空化條件下的性能特征.分析了轉速、空泡數和進流速度對泵噴推進器的空化特性的影響.通過與試驗值對比，驗證采用該方法對空化流場進行數值模擬能夠較好地預測空化發生部位.為了捕捉流場細節，分析梢渦產生機理，張軍等[32]采用PIV某泵噴推進器的流場進行了測量，明顯可以看出螺旋槳梢渦、轂部渦、螺旋槳上下表面脫落的旋向相反的尾渦，以及近導管內壁、槳轂壁面渦等，并且隨著負荷增大，渦強增加.

梢隙渦也是梢渦的一種，由于流道狹窄，流體在梢隙位置發生劇烈擾動，產生了更為復雜的渦系.目前國內外學者研究的重點主要集中在尾渦上，對梢隙渦的研究較少.目前針對梢隙網格劃分方法，劉登城等[33]建立一種網格拓撲方式，采用混合面的方法，選取SSTk-ω湍流模型，對梢隙流動進行了數值模擬，結果表明泵噴推進器梢隙處的流動存在四中渦結構，網格拓撲結構對梢隙流動的模擬結果有很大影響，結構網格相對于非結構網格在精度相當的情況下更能準確預報流場.此外采用同中方法研究了導管間隙對泵噴推進器水動力性能的影響，研究發現組合式推進器受到的推力、扭矩以及艇后效率均隨著導管間隙的增大而減小，且導管間隙影響轉子0.7R～1.0R的負荷分布.鹿麟等[34]采用RANS方程和分塊網格技術對E779A槳進行了非空化和空化模擬，與實驗值對比驗證了計算方法的準確性.采用此種方法探討了不同導管間隙對空化性能影響，結果表明未發生空化時，間隙越大，泵噴推進器整體效率越低，并對泵噴推進器的最優進速系數產生影響；當發生空化時，間隙尺寸越大，空化后的推進器效率越低，且轉速越大，較大間隙的推進器在葉梢處產生的空化面積激增量越明顯.王濤等[35]采用RANS方法，利用多重網格技術加快收斂速度，求解中采用ILU光順技術.分析了間隙流的形成機理，泄渦的形成、輸運和發展、擴散和消失過程，同時討論了間隙流動的存在對轉子設計的要求.

1.2 航空發動機梢渦控制研究

目前，處理機匣技術已經廣泛應用到航空發動機上，從實際應用情況來看，控制渦系效果比較顯著.前期國內學者也對處理機匣特征參數進行了數值計算，分析了不同特征參數的處理機匣對航空發動機的影響.吳昌明等[36]通過改變處理機匣特征參數來探究其對多級軸流壓氣機性能的影響，結果表明，當處理機匣對一級轉子葉尖覆蓋比變化時，均勻進氣條件下的壓氣機性能變化不明顯；當覆蓋比不變，容腔比變化一定數值時，壓氣機具有最優性能.脫偉等[37]通過改變處理機匣凹槽數量探究處理機匣激勵頻率對跨聲速壓氣機性能的的影響，結果表明，處理機匣凹槽數量是影響壓氣機性能關鍵因素之一，對于近設計轉速下峰值效率，綜合裕度和最大流量都得到了大幅度提升.高鵬等[38]對帶沿氣流流向槽的低速離心壓氣機進行數值模擬，探究了處理機匣的擴穩機理和對葉頂間隙泄露渦和二次流等非穩態三維紊流流動的影響.針對處理機匣工作機理，也有學者進行了探究，陳仰軍等[39]采用Numeca CFD軟件針對某多級高壓壓氣機第一級葉尖間隙流場和具有軸向斜槽處理結構的的流場進行非定常計算，結果表明，軸向斜槽處理機匣能夠衰減或是消除葉尖的泄露渦，推遲失速的發生，通過葉尖附近氣流在高壓作用下從壓力面尾緣進入斜槽，而后氣流在葉背前緣以高速由斜槽射入主流，進而有效掃除葉尖易失速的附面層，從而延遲氣流分離，擴大壓氣機的失速裕度并減少二次流損失.

處理機匣技術在一定程度上能夠控制渦系，解決航空發動機“喘振”問題，但同時也會帶來失穩現象.為了解決這一問題，對處理機匣進行多樣化設計，以尋求最優的處理機匣形式.劉建勇等[40]為解決傳統處理機匣對壓氣機“擴穩降效”的現象，設計多種非軸對稱處理機匣進行實驗探究，驗證了當非軸對稱處理機匣軸向處理范圍為120°時，起到擴穩增效的效果.張輝等[41]在低速大尺寸壓氣機試驗平臺上，用高頻探針檢測一嵌有處理機匣扇形段的實壁機匣尾流場，結果表明該處理機匣能夠有效削弱轉子尖區高渦量低能物質的堆積，擴大穩定工作裕度.曠海洋等[42]采用實驗數值和模擬數值相對比的方法對一個亞聲壓氣機進行數值仿真，探討了三種與軸向成不同角度的處理機匣對該壓氣機穩定性的作用，詳細分析了不同處理機匣在不同工況下葉梢頂部流動結構，載荷分布，處理機匣槽內流動狀況等.經研究發現，隨著凹槽和軸向夾角增大，處理機匣的擴穩能力先增強后減弱，大流量工況下，轉子葉頂載荷增加，轉子的等熵效率降低.

1.3 轉子葉梢漩渦流場被動控制的研究進展

泵噴推進器與航空發動機壓氣機十分類似，機械結構上，二者都具有外環包裹的轉子，流場結構上，二者轉子葉梢都存在著復雜的渦系.壓氣機轉子梢部渦系的控制技術已有長足的發展，其中，“處理機匣”是公認的較為成熟的流場被動控制技術之一.處理機匣，即在轉子葉梢附近的包容環內壁上加工一定形狀及組合的凹槽，當葉片經過凹槽時，槽內流體在壓力作用下發生抽吸與噴射，從而達到控制轉子葉梢流動的目的.

研究表明，處理機匣中對葉梢流動控制較好的凹槽形式有兩種：軸向槽與環形槽.由于處理機匣內部流動十分復雜，其工作機理到目前為止仍不完全明確，多數研究者認為軸向槽的工作機理為：間歇性的抽吸壓力面流體，經由槽內輸運，在葉梢上游噴出，破壞了葉梢泄露渦.環形槽的工作機理為：在葉梢壓力面與吸力面之間形成了一個持續的抽吸的作用區，高壓流體經環形槽被抽吸到低壓區.隨著流體被抽走，葉梢渦系的結構形狀隨之發生變化，且葉梢流場得到重構.對兩種凹槽內壁結構形式在壓氣機中的應用表明，它們能夠很好的控制葉梢流動，削弱葉梢泄出渦渦核的壓降，并且增加轉子葉梢的流動損失.

對于泵噴推進器而言，導管內壁上的凹槽恰好可以用于控制槳梢流場，削弱梢部渦系強度，改變壓力場分布，從而抑制轉子梢渦空化的發生.

2 導管凹槽初步計算結果

1) 凹槽形式 導管內壁凹槽布置形式同樣分為軸向凹槽和周向凹槽，目前為止，僅對周向凹槽進行了初步探索.圖2為周向凹槽布置形式.此種布置形式即凹槽沿轉子周向分布，其位置位于轉子葉梢附近，至于凹槽的具體位置和特征參數，需要經過數值計算后才能確定.目前對導管凹槽的優化選擇中，尚有很多工作要研究.

圖2 裝有凹槽的導管示意圖

2) 數值計算方法 采用高質量的結構網格對流場進行精細化計算，研究不同的網格密度和湍流模型對梢渦流動計算結果的影響，確定能對轉子梢渦流動進行精細化計算的合適的網格劃分方法和湍流模型.

計算域分為轉子附近的旋轉區域和其他位置的固定區域，整個計算域均采用結構網格劃分.對旋轉區域的處理有兩種方法：MRF方法(旋轉坐標系方法)和滑移網格方法.在計算推進器的非定常性能時，先用MRF方法對艇和推進器整體流場進行定常求解，待計算收斂后，將定常求解得到的流場作為滑移網格計算的初始值，進行非定常計算，這樣會大大減少計算時間.

3) 數值初步計算結果 為了驗證處理機匣技術應用到泵噴推進器是否有效果，前期進行了一些基礎性工作.本文計算對象為某型號泵噴推進器，來流速度設置為泵噴推進器的最大航速，湍流模型選用分離渦.針對有凹槽泵噴推進器和無凹槽泵噴推進器在相同工況下進行了水動力計算，并分別取出導管和轉子葉梢壓力分布云圖，見圖3.由圖3可知，有凹槽的導管相對于無凹槽的導管壓力分布更加均勻，凹槽的存在破壞了低壓的形成，提升了最低壓力峰值，推遲了空化的發生.圖4為轉子葉梢壓力分布云圖，低壓區主要集中在葉梢前緣部位，從壓力分布云圖來看，凹槽的存在改善了此部位的壓力分布，低壓數值和低壓范圍都明顯變小.從導管和轉子葉梢壓力分布來看，機匣原理應用到泵噴推進器上改變了葉梢附近流體流動，使流場得到重構，降低了葉梢負壓峰值，推遲空化的發生，對泵噴推進器減震降噪有一定作用.

圖3 導管壓力分布云圖

圖4 葉梢壓力分布云圖

3 尚需解決的問題

3.1 網格數量過多

泵噴推進器多用于水下航行器，為了避免縮尺比帶來影響，一般采用實尺度模型對其進行數值計算.網格劃分時，一般分成三個區域，分別是外域、定子導管域和轉子域.對轉子域而言，由于需要對梢渦流場進行精細化捕捉，需要對轉子葉梢和尾部進行分塊多梯度加密.為了排除網格數量造成的計算誤差，定子導管域除了對葉梢和導管內壁的間隙進行加密，周向節點布置時需要和有凹槽時相同.采用機匣處理的導管內壁凹槽數量較多，導致周向節點數量過多，進一步增加了網格數量.為了保證對凹槽加密的同時又不至于增加過多網格數量，將定子導管域分為導管域和凹槽域兩部分，分別進行網格劃分，見圖5.經初步探究，凹槽節點為原來3倍時，兩部分網格總數依舊比原來少了近300萬.

圖5 轉子梢渦示意圖

3.2 泵噴梢渦缺乏試驗數據

到目前為止，在泵噴推進器梢渦研究過程中，還未曾有人專門針對泵噴推進器不同工況下間隙渦和梢渦的試驗測量.在前期方法探索中，也只能針對某一標準槳進行敞水性能計算并將結果和實驗數值進行對比，以此來驗證方法的可行性.但標準槳和泵噴推進器相比，在結構上差異較大，尤其對本文研究而言，導管和定子對流場影響較大，而處理機匣又是在導管內壁進行凹槽處理.由于沒有試驗數值的對比，前期也只能針對標準槳進行方法的探索.

3.3 梢隙流動處理和梢渦流動精細化數值計算研究

泵噴推進器轉子梢部與導管之間有一定間隙，間隙中水介質的速度梯度非常大，進行CFD計算時，對網格劃分的要求非常高，必須采用高質量的結構網格.另外梢渦流動是一種強旋轉流，它從轉子和導管之間的間隙處開始生成，并向后下泄，渦核的軌跡、梢渦的形狀和強度事先均是未知的，且受到導管的強干擾，在渦核附近區域對網格質量的要求更高，這就要求必須采用逐步逼近的方法尋找梢渦的軌跡，并且采用非定常的方法進行精細計算.

3.4 導管內壁凹槽對轉子梢渦影響機理和影響規律研究

泵噴推進器轉子在轉動時，轉子葉梢和凹槽之間存在非常強的相互作用，導致凹槽內流體發生抽吸和噴射,凹槽內流體的抽吸和噴射又會強烈影響梢渦的強度和形態，轉子梢渦和凹槽內流動這種強相互作用存在明顯的非線性和非定常性，必須采用合適的湍流模型和高質量的結構網格進行計算，才能分析凹槽對轉子梢渦的影響機理，為凹槽的參數優化設計打下基礎.

4 結 論

針對泵噴推進器梢渦問題，類比航空發動機處理機匣技術，采用導管內壁加工凹槽的結構形式對泵噴推進器梢渦進行控制，抑制梢渦強度，進而抑制梢渦空化和轉子葉梢空化，達到降低泵噴推進器輻射噪聲的目的.該方法有航空領域的應用基礎，工程實施難度低，可操作性強，但國內在這方面的研究很少，尚有很多工作需要深入研究：

1) 合適的網格拓撲結構 轉子葉梢和導管內壁間距較小，轉子轉動時，葉梢附近流體擾動劇烈，產生復雜渦系.為了捕捉葉梢附近流場，劃分網格時需要對此區域進行加密，但是，由于間隙過小，節點布置太多將會導致網格質量降低.在對轉子進行結構化網格劃分時，為了提高網格質量，難以保證節點過渡均勻.

2) 凹槽特征參數優化 同一形式凹槽會因其不同的特征參數帶來不同的效果，例如,凹槽的長度，跨度，深度等，尺寸差異有可能帶來截然相反的效果.

3) 前期方法探索時，為了確保計算數值精度，需要考慮定子、舵等附體影響.同時為了驗證計算數值的準確度，需要泵噴推進器梢渦試驗數據進行對比，然而國內暫時還沒有學者對此做過相關試驗.