泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)研究

秦登輝, 黃橋高, 潘光, 李福正, 韓鵬

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學(xué) 無人水下運(yùn)載技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072)

泵噴推進(jìn)器(pump jet propulsor,PJP)是近年發(fā)展起來的一種新型組合式水動(dòng)力推進(jìn)器,由轉(zhuǎn)子(又叫葉輪、旋轉(zhuǎn)葉柵)、定子(又叫導(dǎo)葉、靜止葉柵)和導(dǎo)管三部分組成。轉(zhuǎn)子是PJP的動(dòng)力部件,定子和導(dǎo)管為輔助部件,轉(zhuǎn)子和定子位于軸對(duì)稱環(huán)形導(dǎo)管中。根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置可以將PJP細(xì)分為2類:定子布置在轉(zhuǎn)子的前面稱為“前置定子式”;定子布置在轉(zhuǎn)子的后面則稱為“后置定子式”。前置定子可以預(yù)旋來流,改善轉(zhuǎn)子的工作條件,從而提高轉(zhuǎn)子推進(jìn)效率,并有效降低輻射噪聲。而后置定子可以回收轉(zhuǎn)子尾流中的旋轉(zhuǎn)能量,提高推進(jìn)器總效率,但是其噪聲也更高。目前魚雷上通常采用“后置定子式”PJP[1-2],而潛艇上大多采用“前置定子式”PJP[3]。

近年來,隨著聲吶這一主要水下探測(cè)手段在高精度、遠(yuǎn)距離等方面能力的快速提升,潛艇在水下航行時(shí)被暴露和打擊的可能性大大提升,嚴(yán)重威脅了潛艇的生存能力和戰(zhàn)斗力。因此,前置定子式PJP以其優(yōu)異的低噪聲性能,廣泛應(yīng)用于潛艇,是當(dāng)前海軍領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是研究PJP流場(chǎng)特性的一項(xiàng)重要手段。Cormick等[4]在Garfield Thomas Water Tunnel對(duì)一型后置定子式PJP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)不同進(jìn)速系數(shù)下PJP的推力系數(shù)和扭矩進(jìn)行了討論。Suryanarayana等[5]在印度海軍科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的空泡水洞中對(duì)某型后置定子式PJP進(jìn)行了不同工況下的空化臨界系數(shù)測(cè)試。隨后,其分別在風(fēng)洞[6]和水洞[7]中,對(duì)其各項(xiàng)流體動(dòng)力系數(shù)和速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。上述實(shí)驗(yàn)均是針對(duì)后置定子式PJP,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少且模型的參數(shù)不詳,無法進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比研究。而前置定子式PJP的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為少見。秦登輝等[8-11]對(duì)一型前置定子式PJP的空泡水筒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了介紹和數(shù)值驗(yàn)證,但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅討論了轉(zhuǎn)子的力和力矩系數(shù),數(shù)據(jù)稀少。舒禮偉等[12]在中國船舶科學(xué)研究中心大型循環(huán)水槽中應(yīng)用微型脈動(dòng)壓力傳感器對(duì)某型前置定子式PJP的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)量。受到測(cè)量條件的限制,主要對(duì)不同水速和槳葉參數(shù)下的導(dǎo)管脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)量。孫小帥等[13]在中國船舶科學(xué)研究中心的拖曳水池中對(duì)某型安裝了2個(gè)后置定子式PJP的三體船進(jìn)行了自航試驗(yàn),對(duì)PJP的推力和扭矩系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

除了實(shí)驗(yàn)研究,近年來越來越多的學(xué)者使用數(shù)值模擬的方法來對(duì)PJP進(jìn)行研究。在前置定子式PJP水動(dòng)力性能研究方面,主要采用的研究方法有面元法和計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)。王國強(qiáng)等[14-15]、蘇玉民等[16]及劉業(yè)寶[17]基于面元法和一些改進(jìn)尾渦模型對(duì)PJP定常及非定常的水動(dòng)力性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)。此外,更多的學(xué)者采用CFD方法來對(duì)PJP的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。饒志強(qiáng)等[18-20]采用商用計(jì)算軟件FLUENT對(duì)PJP的定常和非定常性能進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào),并對(duì)定子參數(shù)對(duì)推進(jìn)器性能的影響進(jìn)行了研究。張凱等[21]基于SSTk-ω湍流模型和STAR-CCM+軟件對(duì)某型九葉定子四葉轉(zhuǎn)子PJP進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)不同定子參數(shù)、導(dǎo)管攻角等對(duì)PJP水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行了討論。Yu等[22-23]對(duì)不同轉(zhuǎn)子葉梢間隙尺寸和不同定子參數(shù)對(duì)某型前置定子式PJP水動(dòng)力性能、壓力分布、流線等進(jìn)行了對(duì)比。于豐寧等[24]基于CFD方法對(duì)PJP在敞水/SUBOFF潛艇尾部伴流狀態(tài)這兩種工況下葉片的非定常激勵(lì)力進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[25-32]均基于CFD,采用大渦模擬/分離渦等模型,對(duì)PJP空化性能、轉(zhuǎn)子梢隙流場(chǎng)、各個(gè)部件非定常激振力、渦結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)和形成機(jī)理等進(jìn)行了一系列研究。對(duì)于以上這些數(shù)值模擬研究來說,與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性是必不可少的,因而業(yè)內(nèi)急需較為精確和完善的PJP實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

綜上所述,PJP以其臨界航速高、輻射噪聲低的特點(diǎn)被應(yīng)用于世界各國的新一代安靜型潛艇和魚雷上,其特殊的應(yīng)用背景對(duì)其水動(dòng)力、空化和噪聲的實(shí)驗(yàn)研究提出了很大的需求。但目前對(duì)PJP,尤其是前置定子式PJP的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究較為匱乏,數(shù)據(jù)較少,使得PJP水動(dòng)力性能和流場(chǎng)特性等尚未得到充分的實(shí)驗(yàn)解釋。

本文對(duì)一型前置定子式PJP,在空泡水筒中進(jìn)行了水動(dòng)力系數(shù)和流場(chǎng)PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以加深對(duì)PJP水動(dòng)力性能和流場(chǎng)特性的理解,并可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供一個(gè)基礎(chǔ)模型及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),供學(xué)者們進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一型前置定子式PJP,其是為某型水下航行器設(shè)計(jì)的。根據(jù)ITTC建議的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則及中國船舶研究中心的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),對(duì)模型進(jìn)行相似準(zhǔn)則分析。原模型是為某大型水下航行體設(shè)計(jì)的前置定子式PJP,實(shí)際轉(zhuǎn)子直徑Dfull=3.328 m,根據(jù)實(shí)驗(yàn)段的尺寸限制,選擇縮比比例為1∶20,也就是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)子直徑Dexp=0.166 4 m。螺旋槳模型的幾何形狀保證了與全尺寸模型的幾何相似準(zhǔn)則。PJP實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示,主要由一個(gè)九葉定子(如圖1a)所示),一個(gè)七葉轉(zhuǎn)子(如圖1b)所示),一個(gè)導(dǎo)管(如圖1c)所示)組成。其中,定子和轉(zhuǎn)子材質(zhì)是鋁合金,導(dǎo)管材質(zhì)為有機(jī)玻璃。此外,需要指出,還加工了相應(yīng)的定子輪轂、轉(zhuǎn)子輪轂,以及尾流冒模型作為光軸模型,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中進(jìn)行力的修正。

圖1 泵噴推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)加工模型

為了后文討論方便,對(duì)于PJP,定義絕對(duì)坐標(biāo)系:坐標(biāo)原點(diǎn)選在轉(zhuǎn)子的幾何中心,其旋轉(zhuǎn)軸方向作為Z軸,來流方向設(shè)定為Z軸正方向,Y軸正方向?yàn)槟Ｐ驼戏?而X軸按照右手法則進(jìn)行判定。

縮比后的模型轉(zhuǎn)子葉片直徑D=166.40 mm。以下全文中均使用轉(zhuǎn)子葉片直徑D來進(jìn)行歸一化,例如:螺距比P可以歸一化為p/D。定子葉片的平均直徑比轉(zhuǎn)子略大,為193.50 mm。轉(zhuǎn)子和定子葉片的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。其中,轂徑比為轉(zhuǎn)子和定子中點(diǎn)處的輪轂直徑與轉(zhuǎn)子直徑D之比,盤面比為轉(zhuǎn)子/定子葉片在來流方向的正投影面積與轉(zhuǎn)子葉梢圓面積之比。而對(duì)于轉(zhuǎn)子和定子,均選擇在0.7倍的轉(zhuǎn)子半徑處剖面的葉寬和最大厚度作為特征值。2個(gè)葉片的后傾角均為0。導(dǎo)管直徑D為220.00 mm,長度Ld為177.00 mm,轉(zhuǎn)子葉頂與導(dǎo)管內(nèi)壁的間隙為1 mm。導(dǎo)管內(nèi)表面和外表面的參數(shù)見表2,其中,yinner為導(dǎo)管內(nèi)表面的半徑值,而youter為導(dǎo)管外表面的半徑值。

表1 轉(zhuǎn)子和定子參數(shù)表

表2 導(dǎo)管參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

泵噴推進(jìn)器的水動(dòng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)在中國船舶艦船研究中心的空泡水筒中進(jìn)行。空泡水筒的相關(guān)參數(shù)為:試驗(yàn)段長度為3.20 m,直徑為0.80 m,空泡水筒的水流速度范圍為3.00～15.00 m/s,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為正流下700.00～4 000.00 N·m。空泡水筒裝置如圖2所示。

圖2 空泡水筒

本實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備主要有定子測(cè)力天平,螺旋槳?jiǎng)恿x和PIV(particle image velocimetry)流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。其中定子測(cè)力天平固定在定子之前,用來測(cè)試定子和導(dǎo)管的合力和合扭矩,而轉(zhuǎn)子的力和扭矩通過螺旋槳?jiǎng)恿x輸出。動(dòng)力儀推力量程為4 000 N,測(cè)量精度為0.2%,扭矩量程為200 N·m,測(cè)量精度為0.2%,轉(zhuǎn)速量程4 500 r/min,精度0.1%。定子天平推力量程為500 N,測(cè)量精度為0.1%,扭矩量程為30 N·m,測(cè)量精度為0.1%。此外,一套2-D PIV系統(tǒng)被用來測(cè)試流場(chǎng)。PIV激光器的型號(hào)為中國鐳寶公司的Vlite-Hi-527,高速相機(jī)型號(hào)為Phantom公司的LAB310。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 水動(dòng)力測(cè)試

在水動(dòng)力測(cè)試中,光軸模型作為水動(dòng)力的基線,用來扣除基礎(chǔ)的輪轂以及實(shí)驗(yàn)中的其他阻力。安裝光軸后的測(cè)試系統(tǒng)如圖3a)所示。而對(duì)于泵噴推進(jìn)器,定子測(cè)力天平位于定子正前方,固定在螺旋槳?jiǎng)恿x外側(cè)的軸套上,外表裝配有導(dǎo)流罩,保證流線型過渡到定子模型,以保證來流的均勻性。導(dǎo)管是由9個(gè)螺釘固定在定子上,導(dǎo)管和定子的合力和合扭矩即由定子測(cè)力天平輸出。PJP模型在水洞實(shí)驗(yàn)段中的裝配圖如圖3b)所示。此外,需要提到,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谵D(zhuǎn)子和定子根部處存在由于加工產(chǎn)生的根部圓角,圓角尺寸為r=0.5 mm。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,環(huán)境條件為:水溫為19℃,室溫為20.1℃,空氣相對(duì)濕度為67%,壓力為1.02×105Pa。

圖3 模型安裝圖

2.2 PIV流場(chǎng)測(cè)試

PIV測(cè)試系統(tǒng)圖如圖4所示。PIV的激光源通過水洞底部平板玻璃照射螺旋槳尾部中截面平面(Y-Z平面),PIV拍攝的區(qū)域集中在導(dǎo)管之后320 mm內(nèi),也就是約2D之內(nèi)的范圍。需要提到,在導(dǎo)管尾緣處,由于有機(jī)玻璃對(duì)光的折射和反射,PIV無法拍到導(dǎo)管內(nèi)部和導(dǎo)管附近的流場(chǎng),但可以得到較為詳細(xì)的尾流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖4 PIV測(cè)試系統(tǒng)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 敞水性能

對(duì)于PJP,定義水動(dòng)力系數(shù)如表3所示,其中,Tr,Ts,Td分別為轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管的推力;Qr,Qd分別為轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管的推力。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,定子和導(dǎo)管是通過螺釘固連的,所以定子和導(dǎo)管的力或力矩?zé)o法被區(qū)分開。n是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/s),V是遠(yuǎn)場(chǎng)來流速度(m/s),D是轉(zhuǎn)子葉片直徑,ρ是流體的密度(kg/m3),實(shí)驗(yàn)工況:固定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,通過調(diào)節(jié)來流速度大小改變螺旋槳進(jìn)速,實(shí)驗(yàn)測(cè)試泵噴的工況范圍為進(jìn)速系數(shù)J=V/(nD)=0.5～1.2,n=20 r/s。此外,本文中的泵噴推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可通過郵件方式與作者聯(lián)系獲得。

表3 泵噴水動(dòng)力系數(shù)定義

測(cè)試得到的水動(dòng)力系數(shù)如圖5所示。需要提到,圖中的水動(dòng)力系數(shù)結(jié)果均為水洞阻塞效應(yīng)修正后的最終結(jié)果,推力和扭矩的測(cè)試值均取5次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)中,推力系數(shù)的不確定度約在3%～5%,扭矩系數(shù)的不確定度約在1%～3%。可見,泵噴推進(jìn)器的總推力系數(shù)KT基本隨著進(jìn)速系數(shù)J的增大而線性減小,而轉(zhuǎn)子的扭矩系數(shù)10KQr也隨著J的增大而逐漸減小,只是其下降的斜率逐漸增大。泵噴推進(jìn)器的效率隨著J的增大先增大后減小,在J=1.0處達(dá)到最大,為61.91%。

圖5 泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力系數(shù)測(cè)試結(jié)果

更進(jìn)一步的,圖6a)對(duì)比了泵噴推進(jìn)器的推力組成。其中,可以看到,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的0.5

圖6 轉(zhuǎn)子、定子導(dǎo)管的推力和扭矩對(duì)比

在這里,定義泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子推力比τp為轉(zhuǎn)子推力Tr與總推力T之比

(1)

當(dāng)τp<1時(shí),說明此時(shí)導(dǎo)管/定子導(dǎo)管系統(tǒng)提供的是推力。此時(shí),螺旋槳的部分推力轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管上,螺旋槳的一部分尾渦變成了導(dǎo)管的附著渦,進(jìn)而引起了導(dǎo)管上的環(huán)流,這也是導(dǎo)管推力的來源。

對(duì)于本文測(cè)試的泵噴推進(jìn)器,在J>0.5時(shí),推力比τp>1(由圖中數(shù)據(jù)計(jì)算得0.5

根據(jù)秦登輝等人的研究[8],某型前置定子式泵噴推進(jìn)器在J=0.6～1.4范圍內(nèi)的τp=1.15～4.26,而某型后置定子式泵噴推進(jìn)器在J=0.6～1.4范圍內(nèi)的τp=0.60～0.78。因此,從推力分布上來說,后置定子式泵噴推進(jìn)器的推力分布更加均勻,而前置定子式泵噴推進(jìn)器的推力基本上由轉(zhuǎn)子提供,這也是前置定子式泵噴推進(jìn)器的劣勢(shì)之一。

圖6b)對(duì)比泵噴推進(jìn)器的扭矩組成,由于定子和導(dǎo)管的扭矩為負(fù)值,因此圖中以-10(KQs+KQd)代替。如圖所示,隨著J的增大,轉(zhuǎn)子扭矩系數(shù)值逐漸減小,而定子導(dǎo)管系統(tǒng)扭矩系數(shù)的絕對(duì)值反而逐漸增大,兩者在J約為0.88時(shí)相等。

總的來說,在泵噴推進(jìn)器最佳效率點(diǎn)處附近,此泵噴推進(jìn)器的合扭矩基本接近0,這也是泵噴推進(jìn)器相比于傳統(tǒng)單槳/導(dǎo)管槳的優(yōu)勢(shì)之一,即推進(jìn)器的合扭矩接近0,更有利于航行器的操縱性和穩(wěn)定性。

3.2 流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)泵噴推進(jìn)器在J=0.8和J=0.5(N=1 200 r/min)這2種工況下的流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)試。J=0.8,某一個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻時(shí),泵噴推進(jìn)器在y-z平面內(nèi)的瞬態(tài)軸向速度和y方向速度的PIV測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 PJP在J=0.8時(shí),瞬態(tài)速度云圖實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

首先觀察軸向速度云圖,可以看到,在00.4的范圍內(nèi),泵噴推進(jìn)器的尾流場(chǎng)得到了很好的捕捉。如圖7a)所示,可以看到,泵噴推進(jìn)器的尾流場(chǎng)基本上分為三部分:噴流加速區(qū)、輪轂低速區(qū)、混合區(qū)。其中,噴流加速區(qū)基本分布在r/D<0.4的范圍內(nèi),且高速區(qū)域的分布比較混亂,沒有明顯的周期性,這是由于攝像機(jī)幀率較低導(dǎo)致的。而在r/D約為0.4處的環(huán)狀區(qū)為泵噴尾部高速噴流區(qū)與周圍遠(yuǎn)場(chǎng)來流的混合區(qū)。在混合區(qū),會(huì)發(fā)生劇烈的流體交換,其也是轉(zhuǎn)子葉梢泄渦在尾流場(chǎng)中的發(fā)展區(qū)域,是尾流場(chǎng)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。而在輪轂尾部,是輪轂尾跡導(dǎo)致的低速區(qū),其低速區(qū)域基本上維持到z/D=1.5才逐漸與噴流加速區(qū)相互混合,并逐漸消失。

相比于軸向速度,泵噴尾部y方向速度的PIV測(cè)試結(jié)果顯得更加混亂。其主要原因是,泵噴推進(jìn)器尾流的軸向速度較大,而y方向速度值較小,因而PIV系統(tǒng)對(duì)于y方向速度值的分辨率較差。因此,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比時(shí),建議選取軸向速度作為定量對(duì)比對(duì)象。大體趨勢(shì)上,在y軸正方向一側(cè)的Vy速度分量值為負(fù),而y軸負(fù)方向一側(cè)的Vy值則為正值。

而對(duì)泵噴在20個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的PIV結(jié)果進(jìn)行平均之后可以得到泵噴推進(jìn)器尾流場(chǎng)周期平均速度云圖,如圖8所示。從軸向速度云圖(見圖8a))可以看到,泵噴尾流場(chǎng)中的噴流加速區(qū)和輪轂低速區(qū)的分布范圍更加明顯,輪轂尾部的圓錐狀低速區(qū)基本上在z/D=1.2～1.3處逐漸閉合。同樣地,y方向的平均速度云圖也基本與瞬態(tài)值分布相吻合,上半部分的值為負(fù),下半部分的值為正,這是由于導(dǎo)管存在導(dǎo)致尾跡徑向向內(nèi)流動(dòng)的分量。

圖8 PJP在J=0.8時(shí),周期平均速度云圖實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

定量地,對(duì)泵噴推進(jìn)器在尾部不同軸向位置處的時(shí)間平均速度進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示,以便于后續(xù)研究者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證。選取4個(gè)軸向位置,分別是:A)z/D=0.49;B)z/D=1.02;C)z/D=1.52;D)z/D=2.02。

圖9 J=0.8,PJP尾部不同軸向位置處的時(shí)間平均速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見,J=0.8時(shí),在導(dǎo)管尾部z/D=0.49處,泵噴尾流的軸向平均速度峰值在r/D≈0.3處,約為Va/U=1.75,而輪轂低速區(qū)的峰值Va/U略小于1。隨著流體向下游移動(dòng),噴流加速區(qū)的峰值略微下降,而輪轂低速區(qū)的值逐漸增大,伴隨著上文討論的輪轂低速區(qū)的閉合。在遠(yuǎn)場(chǎng)z/D=2.02處,噴流加速區(qū)的峰值已經(jīng)很不明顯。

對(duì)泵噴推進(jìn)器軸向速度的脈動(dòng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖10所示。在此,PIV系統(tǒng)時(shí)間分辨率為0.001 s,采樣周期T取20個(gè)旋轉(zhuǎn)周期(T=1 s,即采樣步數(shù)N=1 000),ui為某點(diǎn)處第i步的軸向速度值, 軸向

如圖所示,在導(dǎo)管尾部z/D=0.49處,軸向速度脈動(dòng)量比較大,速度脈動(dòng)的均方根值在r/D≈0和r/D≈0.4處出現(xiàn)2個(gè)明顯的峰值。而隨著流動(dòng)向下游移動(dòng),在z/D=1.52處,軸向速度脈動(dòng)量明顯降低,脈動(dòng)均方根在r/D≈0的峰值出現(xiàn)明顯下降,對(duì)應(yīng)于云圖中輪轂低速區(qū)區(qū)域的閉合。而r/D≈0.4處的峰值依舊較高(uRMSE/U約為0.22),對(duì)應(yīng)于云圖中噴流加速區(qū)與周圍自由來流的交界區(qū)域。

此外,對(duì)泵噴推進(jìn)器尾部的速度場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于測(cè)試得到的是二維速度,因此給出泵噴推進(jìn)器尾部截面上x方向上的渦量分量,歸一化為wxD/U,如圖11所示。

圖11 PJP在x方向上的渦量分量平均值的結(jié)果實(shí)驗(yàn)測(cè)試(圖中采用wxD/U來進(jìn)行歸一化)

可以看到,在導(dǎo)管尾部r/D≈-0.4和r/D≈0.4位置處出現(xiàn)了明顯的高渦量條帶。隨著向下游移動(dòng),高渦量區(qū)域逐漸出現(xiàn)數(shù)值上的減小和徑向方向上的擴(kuò)散。對(duì)比圖7可以看到,這些高渦量區(qū)域正是環(huán)狀混合區(qū)的位置,也是泵噴推進(jìn)器尾部葉梢渦的空間發(fā)展軌跡區(qū)域。對(duì)比圖10a)～10b)可以看到,在低J時(shí),此區(qū)域的渦量更高,且徑向擴(kuò)散區(qū)域更大。低J時(shí)的流場(chǎng)在下面進(jìn)行分析。

同樣地,給出泵噴推進(jìn)器在J=0.5時(shí)的瞬態(tài)速度和周期平均速度云圖,如圖12～13所示。與J=0.8相比,低進(jìn)速系數(shù)下的泵噴尾流的軸向速度更大,而y軸方向上的速度交換也更明顯。對(duì)比二者的軸向速度(見圖8a)和圖13a))可見,低進(jìn)速系數(shù)下,泵噴尾部噴流加速區(qū)的核心值更大,有明顯的分層。這種差別在圖14中表現(xiàn)更為明顯,在J=0.5,z/D=0.49處,尾流軸向平均速度峰值約為Va/U=2.7,且噴流加速區(qū)的峰值更陡峭。此外,由于軸向速度的增大,低進(jìn)速系數(shù)下的泵噴輪轂低速區(qū)的軸向速度也有明顯增大,其向下游的延續(xù)距離也越長。二者y軸方向上的速度分布趨勢(shì)基本相同,J=0.5工況下的數(shù)值略大。

圖12 PJP在J=0.5時(shí),瞬態(tài)速度云圖實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖13 PJP在J=0.5時(shí),周期平均速度云圖實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖14 J=0.5,PJP尾部不同軸向位置處的時(shí)間平均速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文對(duì)一型九葉定子七葉轉(zhuǎn)子的泵噴推進(jìn)器,在空泡水筒中進(jìn)行了水動(dòng)力性能和PIV流場(chǎng)測(cè)試,得到了泵噴推進(jìn)器的敞水性能和流場(chǎng)特性,結(jié)果表明:

1) 此型前置定子式泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子推力系數(shù)、定子和導(dǎo)管的推力系數(shù)均隨著J的增大而減小,轉(zhuǎn)子的扭矩系數(shù)也隨著J的增大而減小,但定子和導(dǎo)管的扭矩系數(shù)絕對(duì)值反而隨著J的增大而增大。泵噴推進(jìn)器的效率隨著J的增大先增大后減小,在J=1.0處達(dá)到最大,為61.91%。

2) 前置定子式泵噴推進(jìn)器的推力主要由轉(zhuǎn)子提供,實(shí)驗(yàn)測(cè)試泵噴模型在0.5

3) 泵噴推進(jìn)器的尾流場(chǎng)基本上分為三部分:噴流加速區(qū)、輪轂低速區(qū)、混合區(qū)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到了不同工況下的泵噴推進(jìn)器尾流場(chǎng)中的瞬態(tài)速度、平均速度值。低速重載工況下,泵噴推進(jìn)器尾部噴流加速區(qū)的峰值更大,輪轂低速區(qū)的持續(xù)長度也更長。