導葉對無軸泵噴推進性能及葉片空化效應的影響

摘 要：【目的】由于無軸泵噴推進器在高轉速下葉片會產生空化效應，為減少空化效應，需要對導流葉的安裝方式及旋向進行研究。【方法】通過CFD軟件對不同導流葉安裝方案進行數值計算，獲得無軸泵噴推進器整體的推力與葉片空化情況，找到合適的安裝結構。【結果】在無導流葉的方案中，其推進性能更好，但葉片上的空化面積也是最大的；在有導流葉的方案中，后置與旋轉葉片旋向相同的導流葉方案推進效果最好，相對無導流葉方案空化面積減小14.7%。【結論】研究結果可為導流葉的安裝方式及減小空化效應提供參考。

關鍵詞：無軸泵噴；導流葉；推力系數；空化效應

中圖分類號：TH122" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）14-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.011

The Impact of Guide Vanes on the Propulsion Performance and Blade Cavitation Effects of Shaftless Pump-Jet Propulsors

Abstract： [Purposes] Cavitation effects occur in the blades of shaftless pump-jet propulsors at high rotational speeds. To mitigate these effects， this study investigates the installation methods and rotational directions of guide vanes.[Methods] Numerical simulations using CFD software were conducted on various guide vane installation configurations to assess the overall thrust and blade cavitation characteristics of the shaftless pump-jet propulsor， aiming to identify the optimal installation structure.[Findings] In configurations without guide vanes， although the propulsion performance was better， the blade cavitation area was the largest. Among configurations with guide vanes， the setup with guide vanes placed behind the propulsor and rotating in the same direction as the blades achieved the best propulsion performance， reducing the cavitation area by 14.7% compared to the configuration without guide vanes. [Conclusions] The findings provide valuable insights for optimizing the installation methods of guide vanes and reducing cavitation effects.

Keywords： shaftless pump-jet; guide vanes; thrust coefficient; cavitation effects

0 引言

無軸泵是一種新型的泵噴推進裝置，在同等工況下相較于傳統的推進器噪聲更低、效率更高，且在水下可以適用多種工況，其結構特點是無軸設計，可避免水草纏繞。泵整體通過旋轉的葉輪對流體作用，從而產生推力，主要應用于小型靜音潛水艇和民用沖鋒艇的動力部分。

近年來，無軸泵的應用與相關研究日益增多，因此對其進行優化設計變得愈發重要。在葉片優化方面，談明高等［1］研究了葉片數對無軸泵噴推進器性能的影響。劉厚林等［2］研究了輪轂比對無軸泵噴推進器性能的影響，發現當輪轂比為0.25時，推進器的整體性能最佳。祝昊等［3］研究了在有導流葉的情況下，有無輪轂對推進性能的影響，但缺少關于導流葉安裝位置及旋向對泵噴推進器影響的研究。藺永杰等［4］基于CFD方法研究了傳統有軸螺旋槳導流葉片，發現優化后的推進器可節能7.96%。在葉片空化研究方面，李曉超等［5］提出了噴水推進泵的空化及噪聲優化措施；潘中永等［6］分析了泵噴推進器在來流含氣條件下的空化特性，發現增加進口含氣率可以提高設備的抗空化能力。

綜上所述，雖然泵噴推進器的空化與推進性能研究已有大量成果，但導流葉對無軸泵噴推進性能及葉片空化效應的影響研究較少。因此，本文在前人研究的基礎上，采用計算流體動力學（CFD）軟件研究導流葉對泵噴推進器葉片性能的影響，并通過設計優化找出相關規律。

1 數值模擬分析

1.1 三維建模及設計方案

本研究以七葉片的無軸泵噴推進裝置為研究對象，該模型的進口處和出口處均可安裝導流裝置，對導流裝置的選擇與安裝位置進行設計，如圖1所示。

將與旋轉葉片旋向相同的導流葉命名為葉片1，與旋轉葉片旋向相反的導流葉命名為葉片2，根據導流葉相對于旋轉葉片的位置共設置9套方案，具體見表1。

質量優良的導流罩對推進器推進效率有促進作用［7］，本研究應用的導流罩類型選擇為類2415翼形的導流罩截面。

1.2 網格劃分及無關性檢驗

為了最小化流場域尺寸對研究對象的影響［8］，流場域尺寸如圖2所示。

在泵的網格劃分過程中，本研究采用了結構化與非結構化網格共存的多面體網格劃分策略。與傳統的四面體或六面體網格相比，多面體網格具有諸多優勢：首先，其能夠精確地刻畫出具有復雜幾何形狀和尖銳邊緣的物體；其次，這種網格類型通常具備更高的質量，能夠避免生成扭曲、傾斜或者瘦長的單元，從而在處理邊界層流動、網格運動等復雜流場問題時展現出更高的靈活性和效率［9］。此外，多面體網格在保持同等尺寸的情況下，能夠以較少的網格數量實現較高的網格質量。

針對葉片及其周邊區域，本研究進行了細致的網格細化處理，以確保網格質量指標超過0.2，同時兼顧計算的網格無關性，并防止網格數目過多導致的計算資源過度消耗［10］。本研究依據方案9，構建了4種不同網格數量的模型，并以3 000 rpm的葉片推力作為評價標準進行了系統測試（見表2）。通過對比分析發現，當網格數達到146萬個以上時，進一步增加網格數對推力的影響不再明顯。因此，為了在保證計算精度的同時減少計算負擔，將大約146萬個的網格規模作為最佳選擇。

無軸泵各部件的葉片網格如圖3（a）所示，對于葉片以及葉片后方區域進行局部加密如圖3（b）所示。

1.3 湍流模型與邊界條件

本研究采用[k-ω]SST 湍流模型，這是一種改進型的[k-ω]湍流模型，結合了[k-ε]模型和[k-ω]模型的優勢。該模型能夠準確地描述壁面附近的流動特性，并充分考慮了剪切應力的傳遞，使得在復雜流動情況下有更高的預測準確性。與其他復雜模型相比，此模型的計算成本相對較低［11］。空化模型選擇Mixture多相流模型，其控制方程基本形式見式（1）。

在邊界條件設置方面，依據特定工況，采用了不可壓縮、定常計算方式，葉片轉速為900 rpm，固壁設置為絕熱、無滑移邊界條件［12］。

2 結果分析

2.1 導流葉對泵流場特性的影響

9種不同方案的無軸泵速度如圖4所示。其中每個圖片的右下角標識代表著各自的方案類型。在無導流葉的方案中，可以觀察到無軸泵內部的流體速度分布相對均勻。然而，當引入導流葉的方案時，泵內部及泵后側的流體速度出現了明顯的低速區域。這種現象表明導流葉的存在可能會改變流體的流向和速度分布，進而導致泵的揚程降低。這影響了泵的整體推進性能，使其出現下降的趨勢。

各方案的流線跡圖如圖5所示。在方案9中，觀察發現流體在通過導流罩后流出較為均勻，未出現渦流現象，表明其推進效果最佳。相比之下，方案3、5和7在導流葉與旋轉葉之間產生了顯著的渦流，這些渦流消耗了部分流體動能，從而降低了泵的整體推進效率。

推力系數是描述噴水推進泵的一個無量綱系數，它直觀地展現了泵的推進能力。泵的推力系數[KT]見式（2）。

式中：[T]為泵的推力大小；[ρ]表示流體密度；[n]為轉速；[D]為葉片直徑。

無軸泵各設計方案的整體推進性能如圖6所示。無導流葉的方案9推力系數最高至0.725。而方案6在其旋轉葉片前后均配備了與旋向相反的導流葉，顯示出最低的推進系數，僅為0.182。這一結果也得到了圖3中速度云圖的驗證，從圖中可以觀察到該方案的泵后方高速流體區域較小，揚程也相對較短。

在有導流葉的設計方案中，將導流葉放置在旋轉葉片后方，并且其旋向與旋轉葉片一致，能顯著提升泵的推進性能。對比同一位置，與旋轉葉片旋向相反的導流葉，其效果較差。這主要是因為，流體在被旋轉葉片推向后方的過程中，其速度方向與旋轉葉片的旋向相同。因此，與旋轉葉片旋向一致的導流葉，能更有效地引導流體順暢流出無軸泵，從而優化推進性能。

2.2 導流葉對旋轉葉片空化效應的影響

在相同轉速條件下，各方案旋轉至葉片表面空化效應如圖7所示。其中方案2、方案5和方案7的旋轉葉片未出現空化現象，而其他方案的葉片表面均出現了不同程度的空泡效應。這些空泡效應主要集中在葉片吸力面遠離旋轉中心的位置，這是由于該區域的葉片表面壓力低于液體的飽和蒸氣壓，從而導致液體發生汽化現象。

各方案空泡效應比例如圖8所示。由圖8可知，在沒有導流葉的方案中，葉片的空泡面積最大，大約占據了葉片總體面積的4.35%。然而在采用導流葉的設計方案中，方案4的空泡面積最大，相較于方案9，其空泡面積的比例降低了約9.1%。

3 結論

本研究采用計算流體動力學（CFD）方法，通過對不同方案進行對比，研究了導流葉的類型與安裝方式對無軸泵噴推進器整體推進性能和旋轉葉片表面空泡效應的影響，主要結論如下。

①對于泵噴推進器的推進性能而言，無導流葉方案的推力系數最大；在有導流葉的方案中，位于旋轉葉片后方且與其旋向相同的導流葉方案的推力系數最高，但比無導流葉方案低約9.1%。

②就旋轉葉片表面空泡效應而言，無導流葉方案的空泡面積最大，而有導流葉方案的空泡面積則有所減少，某些方案甚至顯著縮小了空泡面積。

③在設計過程中，可考慮在旋轉葉片后方安裝與其旋向相同的導流葉，可有效減少空泡效應的產生。

參考文獻：

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