基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究

趙曉宇, 武天龍, 林興華, 武建國, 張敏革

基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究

趙曉宇1,2, 武天龍1,2, 林興華1, 武建國1, 張敏革2

(1.河北工業大學 機械工程學院, 天津, 300130; 2.天津瀚海藍帆海洋科技有限公司, 天津, 300130)

為抑制水下推進器螺旋槳空化的形成, 提高其水動力性能, 基于泵噴整流機理, 以導管螺旋槳推進器為研究對象, 分別設置前置定子和后置定子, 利用計算流體力學仿真分析和實驗的方法, 研究了前、后定子對導管推進器的空化抑制、扭矩平衡及推進效率等方面的影響。研究結果表明, 前置定子對空化抑制效果明顯, 相對彎度對提高推進效率的影響顯著, 能夠平衡部分橫滾扭矩; 后置定子對抑制螺旋槳尾流區的空化效果明顯, 剖面弦徑比和安裝位置對提高推進器效率和扭矩平衡具有最優值。因此可以通過在導管螺旋槳上加裝合適的前后定子, 降低螺旋槳的噪聲等級, 優化螺旋槳的空化性能, 提高水動力性能, 為類泵噴推進器的結構設計提供參考。

水下推進器; 空化抑制; 計算流體力學; 泵噴; 整流

0 引言

螺旋槳在高速運轉時, 其槳葉會對水流造成擾動, 從而形成渦旋渦振現象, 若螺旋槳的轉速繼續增加, 其周圍水流的能量會從壓力能迅速轉換為動能, 使其動能升高, 壓強降低。當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現空化現象[1-6]。空化現象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。

溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應網格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。

空化氣泡從產生到潰滅的時間很短, 在復雜流場結構中很難清楚地觀察到流場內部情況, 使得螺旋槳的空化流場結構及空化氣泡的動力學性能存在盲區。CFD是一種以計算機計算為基礎, 對流體傳質傳熱等現象進行分析的方法[15-17]。隨著計算機計算性能的逐漸提升, CFD中的網格生成技術、算法、湍流模型等得到了巨大的發展, 在降低研究成本、提高科研效率的前提下可以對復雜流場進行仿真計算, 并且對于研究流場結構等微觀問題而言, CFD也是唯一可靠的求解方法[18]。

由于泵噴推進器是由環狀導管、前后置定子與螺旋槳所組成的推進裝置, 其中帶有翼型的前置定子可以使水流產生預旋, 帶有翼型的后置定子可以回收尾流中旋轉的能量, 故基于上述的泵噴整流機理, 在水下推進器添加特定的前、后置定子使其變為類泵噴推進器, 并利用CFD仿真分析研究類泵噴推進器中螺旋槳在泵噴整流機理中抑制空泡的效果, 提出一種有效抑制空化氣泡產生以及減小水下推進器噪聲的方法, 為抑制螺旋槳空化提供更為有效的途徑。

1 模型構建

1.1 幾何模型構建與描述

以Whale1212水下推進器為研究對象, 如圖1所示, 該標準型號推進器由密封艙、槳軸、螺旋槳、導管和支撐桿組成, 結構優化后的深海推進器在標準型號的基礎上增加了前置定子與后置定子。

圖1 水下推進器結構示意圖

該水下推進器的螺旋槳采用帶有側斜的D型導管槳系列結構, 如圖2所示。

圖2 水下推進器螺旋槳結構示意圖

圖中, 螺旋槳的螺距分布由葉梢向葉根逐漸減小, 葉梢部分具有一定的弦長, 同時為了延遲梢部空泡的產生, 對梢部的導邊和隨邊沒有進行倒圓處理, 因為水流通過未倒圓處理的倒邊與隨邊后不會進行分離, 減少了水流的紊亂, 其余參數如表1所示。

表1 水下推進器螺旋槳參數

所選導管為DSN系列結構加速型導管, 這一系列的導管由于具有較大的導管口面積, 因此在重載情況下具有較高的推進效率。導管與螺旋槳之間的間隙小于1 mm, 與支撐桿為一體加工, 可保證裝配的同軸性。導管剖面參數如表2所示。

表2 水下推進器導管參數

所選前置定子和后置定子均為NACA翼形剖面結構(由咨詢委員會(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)開發的系列翼型), 后置定子為“十”字交叉結構。

1.2 數值模型構建與描述

采用CFD商業軟件Fluent 14.0對上述螺旋槳推進器的流場結構進行仿真, 借助非定常的雷諾平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS) 模型對流場的連續性方程和動量方程進行求解

在分析過程中, 忽略氣液兩相之間的速度滑移, 采用Rayleigh-Plesset方程對空化氣泡的增長和潰滅過程進行如下描述

2 螺旋槳空化分析

2.1 螺旋槳空化分布特性分析

采用CFD對上述推進器用的螺旋槳流場結構和水動力性能進行分析。圖3所示是為下文中優化抑制方案提供優化依據的基準態結構。

圖3 螺旋槳基準態結構示意圖

采用Gambit前處理軟件對螺旋槳的幾何模型進行網格劃分, 模型中的流域根據螺旋槳旋轉時的特點分為兩大部分: 靠近螺旋槳的動域fluid-1和遠離槳的靜域fluid-2, 其中動域為圓柱形, 靜域為測試水箱的長方體。在網格劃分過程中, 針對螺旋槳的表面和導流罩的表面進行網格加密處理, 對fluid-1和fluid-2分別采用遞增函數fun-1和fun-2來進行網格劃分, 使得靠近螺旋槳旋轉區域的網格盡量細膩, 以保證計算的精度。遠離計算區域內的網格稍微大些, 節約計算時間。在邊界條件的定義中, fluid-1中的上表面為速度進口, 下表面為自由出口, 側面為剛性壁面; fluid-2中螺旋槳和導流罩的表面均為剛性壁面, 其余各面默認為內部面。

圖4 氣相體積比率分布云圖

由圖4可知, 螺旋槳周圍的空化氣泡主要集中在葉梢和尾流區域, 其中氣相體積比率如式(7)所示。通過對葉梢部位的壓力系數分布云圖(如圖5所示)分析可知, 該區域存在明顯的低壓區, 這是由于螺旋槳的轉速最大時, 葉梢區域的壓力能轉換成動能, 此時負載最大, 壓強隨之降低。

圖5 壓力系數分布云圖

通過對尾流區域的流場結構(見圖6)分析可知, 水流在槳轂處的收縮作用下形成渦旋, 在渦旋的中心位置處產生空洞區, 造成壓強降低。

圖6 尾流流場結構示意圖

由此可知, 抑制螺旋槳的空化, 需要對葉梢和尾流2個區域的流場進行優化, 主要措施包括:

1) 對螺旋槳槳葉前面的流場進行預旋處理, 降低葉梢部位的負載, 減緩能量轉換的程度;

2) 對螺旋槳槳轂后面的流場進行整流處理, 破壞槳轂后面的渦旋, 將流場的周向運動轉換為軸向運動。

2.2 前置定子影響特性分析

通過在螺旋槳前面設置前置定子替換支撐桿, 實現對進入導管的水流進行預處理。采用剖面為NACA翼形的前置定子, 改變翼形的拱度比, 分析不同定子結構對螺旋槳的空化性能和水動力性能的影響。首先采用NACA-0424剖面結構的定子(如圖7所示), 分析在不同轉速下葉梢部位空化區域的強度(如圖8所示)。

圖7 添加前置定子結構示意圖

圖8 不同轉速空化比率圖

這是由于前置定子對進入導管的水流進行了重新梳理, 使其到達螺旋槳的流線為均勻流, 如圖9所示, 從而使得該區域的渦旋減弱, 避免了空化區域的出現。

圖9 添加前置定子的流場示意圖

圖10為該區域的壓力系數分布云圖, 由此可以分析出, 與基準態相比, 低壓區的壓強明顯升高, 壓力分布也比較均勻。

圖10 添加前置定子的壓力云圖

圖11 前置定子翼型示意圖

圖12 螺旋槳空化抑制圖

2.3 后置定子影響特性分析

圖13 尾翼結構示意圖

以3 kn進速, 2 800 r/m時螺旋槳的工況為例(如圖14和圖15所示)。

圖14 推進器扭矩隨尾翼弦徑比變化曲線

圖15 推進器效率隨弦徑比變化曲線

圖16 推進器尾流示意圖

圖17 空化抑制率隨弦徑比變化曲線

通過改變螺旋槳尾端與尾翼前端的距離, 對尾翼的最優位置進行優化分析。設定距離比分別為0.2、0.5和0.8三種方案, 推進器的總扭矩和效率對比分別如圖18和圖19所示。由圖18可以看出, 當距離比為0.2時, 推進器整體扭矩最小, 說明尾翼能夠抵消的扭矩最大。隨著距離的增大,所抵消的扭矩基本相等。由圖19可以看出, 尾翼的安放距離對推進器的效率影響不大。

圖18 推進器扭矩隨尾翼距離變化對比圖

圖19 推進器效率隨尾翼距離變化對比圖

由圖20可知, 隨著距離比的增大, 空化抑制率也隨之增大, 這是由于螺旋槳與后置定子間的間隙增大, 收縮區域增大, 使得低壓空化區增大。

圖20 推進器效率與空化抑制率變化對比圖

3 螺旋槳水動力實驗分析

3.1 PIV實驗環境與方法

實驗在天津科技大學的粒子圖像測速(par- ticle image velocimetry, PIV)流體力學實驗室中進行, 圖21為實驗結構示意圖。水槽總長度為3.0 m, 拍攝區域段長為1.5 m, 寬為1.0 m, 高為0.7 m, 深海推進器固定在水箱的前半段區域, 在不影響深海推進器進流的情況下, 留出足夠的觀測尾流區域, 距離水面0.3 mm。

圖21 實驗裝置示意圖

Whale1212型深海推進器與測試水箱之間通過鋁型材進行固定連接, 如圖22所示。深海推進器的導管與支撐桿均為3D打印的透明材質, 在不影響流場的前提下對螺旋槳葉梢流場與尾流進行更加準確的拍攝與分析。

圖22 深海推進器固定示意圖

流體介質所選示蹤粒子的直徑為10 μm, 粒子密度為1 030 kg/m3, 實驗環境溫度為15℃。先通過高速相機拍攝水箱內的粒子濃度, 再根據拍攝效果進行示蹤粒子添加量的調節, 最終使其

濃度滿足PIV實驗的工作要求。數據采集裝置采用的是美國TSI公司提供的PIV系統, 主要部件為激光器與高速相機。采用雙幀雙曝模式對圖像進行采集后, 再利用自帶系統對采集圖像進行相互算法的處理, 得到瞬時速度場中的速度矢量圖, 并通過Tecplot軟件對速度矢量圖進行可視化處理得到速度場云圖。

3.2 PIV實驗與仿真對比分析

對Whale1212型號深海推進器進行PIV實驗, 得到深海推進器工作時的螺旋槳尾流速度云圖, 如圖23所示。在相同轉速下, 通過CFD流體仿真軟件獲得螺旋槳仿真速度場分布云圖, 如圖24所示。比較可知, 2個速度云圖特征大致相同, 在水流通過導管外部時顏色為深藍色, 說明此處的流場緩慢而穩定; 當水流通過導管內部時, 整體速度呈加快的趨勢; 當水流通過導管內部后, 整體速度逐漸緩慢并成擴散狀向周圍散去, 最終與槳后靜水區碰撞形成漩渦。

圖23 螺旋槳PIV實驗速度場分布云圖

圖24 螺旋槳仿真速度場分布云圖

通過觀察1號區域與2號區域可以發現: 當水流通過導管內部時, 水流速度逐漸增加, 在接觸螺旋槳槳葉時水流速度達到最大, 越靠近葉梢部分的水流速度越大, 越靠近槳轂部分水流速度越低; 水流通過螺旋槳后, 在螺旋槳的后面形成噴射狀, 越靠近槳葉中心位置的水流速度越快, 越靠進導管與槳轂位置的水流速度越慢; 水流通過螺旋槳后與槳轂尾流相交時, 其速度場分布云圖中的速度邊界層變成明顯的波浪形狀, 隨著尾流遠離槳葉, 波浪由大變小直至消失不見。

3.3 計算結果驗證

圖25 水下推進器測試示意圖

采用CFD方法對螺旋槳推進器的系泊狀態推力進行仿真, 所得結果與實驗測試結果對比如圖26所示。

圖26 水下推進器推力折線圖

4 結束語

為了抑制水下推進器螺旋槳空化的形成并提高其水動力性能, 文中以導管螺旋槳推進器為研究對象, 基于泵噴整流機理, 通過在水下螺旋槳推進器上加裝前置定子和后置定子, 從而達到類泵噴推進器的結構。改變前置定子的相對彎度使得水流產生預旋, 改變后置定子的弦徑比和距離比可以回收尾流中旋轉的能量, 并分別對比分析了它們對螺旋槳水動力性能、空化抑制性能和扭矩平衡性能等方面的影響, 采用CFD的方法揭示了流場的細節變化, 對影響結果進行了定性和定量的全面分析, 得出如下結論。

1) 導管螺旋槳的空化區域主要集中在葉梢和槳轂尾端兩部位, 通過加裝前置定子和后置定子, 在相同工況下可以有效抑制空化的發生, 前置定子的空化抑制效果可達80%以上, 明顯高于后置定子。

2) 增大后置定子的弦徑比可以明顯促進推進器效率; 安裝距離雖然不能明顯提高整體效率, 但是空化抑制率隨著安裝距離的增大將減小。

3) 采用非對稱型前置定子和后置定子均能夠實現對螺旋槳扭矩的平衡, 后置定子的平衡效果遠遠高于前置定子。

文中僅針對單個螺旋槳的空化抑制展開研究, 下一步將基于實際使用場景, 針對多個螺旋槳工作時的空化情況進行更為深入的研究。

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Research on Propeller Cavitation Suppression Based on Pump Jet Rectification Mechanism

ZHAOXiao-yu1,2, WUTian-long1,2, LINXing-hua1, WUJian-guo1, ZHANGMin-ge2

(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2.Tianjin Hanhai Lanfan Marine Technology Co.,Ltd., Tianjin 300130, China)

To prevent cavitation of underwater propellers and improve hydrodynamic performance, based on pump jet rectification mechanism, front and rear stators were installed for conduit propellers.The effects of front and rear stators on cavitation suppression, torque balance, and propulsion efficiency of conduit propellers were studied by computational fluid dynamics simulation analyses and experiments.The results showed that the front stator has an effect on cavitation suppression, and the relative bending has a significant effect on improving the propulsion efficiency, which can balance part of the roll torque.The rear stator has an effect on restraining cavitation in the wake area of the propellers.The section-chord diameter ratio and installation position has the greatest effect on improving the efficiency and torque balance of the propellers.Therefore, the noise level of the propeller can be reduced, cavitation performance can be optimized, and hydrodynamic performance can be improved by installing proper stators before and after the conduit propeller, which provides an important reference for future structural designs of the pump jet propellers.

underwater propeller; cavitation suppression; computational fluid dynamics; pump jet; rectification mechanism

趙曉宇, 武天龍, 林興華, 等.基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究[J].水下無人系統學報, 2022, 30(1): 68-77.

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2022)01-0068-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.009

2021-01-09;

2021-04-20.

河北省自然科學基金項目資助(E2018202259).

趙曉宇(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下機器人動力系統.

(責任編輯: 楊力軍)