趙曉宇, 武天龍, 林興華, 武建國, 張敏革

基于泵噴整流機(jī)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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300130; 2.天津瀚海藍(lán)帆海洋科技有限公司, 天津, 300130)

為抑制水下推進(jìn)器螺旋槳空化的形成, 提高其水動(dòng)力性能, 基于泵噴整流機(jī)理, 以導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器為研究對(duì)象, 分別設(shè)置前置定子和后置定子, 利用計(jì)算流體力學(xué)仿真分析和實(shí)驗(yàn)的方法, 研究了前、后定子對(duì)導(dǎo)管推進(jìn)器的空化抑制、扭矩平衡及推進(jìn)效率等方面的影響。研究結(jié)果表明, 前置定子對(duì)空化抑制效果明顯, 相對(duì)彎度對(duì)提高推進(jìn)效率的影響顯著, 能夠平衡部分橫滾扭矩; 后置定子對(duì)抑制螺旋槳尾流區(qū)的空化效果明顯, 剖面弦徑比和安裝位置對(duì)提高推進(jìn)器效率和扭矩平衡具有最優(yōu)值。因此可以通過在導(dǎo)管螺旋槳上加裝合適的前后定子, 降低螺旋槳的噪聲等級(jí), 優(yōu)化螺旋槳的空化性能, 提高水動(dòng)力性能, 為類泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

水下推進(jìn)器; 空化抑制; 計(jì)算流體力學(xué); 泵噴; 整流

0 引言

螺旋槳在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 其槳葉會(huì)對(duì)水流造成擾動(dòng), 從而形成渦旋渦振現(xiàn)象, 若螺旋槳的轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加, 其周圍水流的能量會(huì)從壓力能迅速轉(zhuǎn)換為動(dòng)能, 使其動(dòng)能升高, 壓強(qiáng)降低。當(dāng)螺旋槳周圍流體的壓強(qiáng)降低到水的飽和蒸氣壓以下時(shí), 將會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象[1-6]?？栈F(xiàn)象產(chǎn)生的空化氣泡隨著水流進(jìn)行運(yùn)動(dòng), 當(dāng)遇到高壓區(qū)或障礙物后會(huì)產(chǎn)生潰滅, 其特殊的內(nèi)爆特性使其潰滅時(shí)產(chǎn)生巨大的能量?？栈瘹馀莸臐鐣?huì)對(duì)水下螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生一系列的危害, 比如導(dǎo)致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進(jìn)器的振動(dòng)、提高水動(dòng)力噪聲等。

溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側(cè)斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數(shù)來研究螺旋槳空化性能, 發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進(jìn)行空化特性數(shù)值分析, 發(fā)現(xiàn)空化數(shù)小于3時(shí), 空化區(qū)域?qū)⒖焖贁U(kuò)散到整個(gè)槳葉面, 螺旋槳的推進(jìn)效率逐漸降低。有學(xué)者利用大型空化水槽對(duì)螺旋槳空化噪聲的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行研究, 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了標(biāo)度法可有效預(yù)測(cè)螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應(yīng)網(wǎng)格法對(duì)名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進(jìn)行研究, 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對(duì)特定參數(shù)的螺旋槳進(jìn)行空化試驗(yàn)以驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 但并未對(duì)空化起因與抑制空化方法進(jìn)行深入研究。以上研究的出發(fā)點(diǎn)均基于研究螺旋槳參數(shù)特性來優(yōu)化水動(dòng)力性能, 以達(dá)到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。

空化氣泡從產(chǎn)生到潰滅的時(shí)間很短, 在復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中很難清楚地觀察到流場(chǎng)內(nèi)部情況, 使得螺旋槳的空化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及空化氣泡的動(dòng)力學(xué)性能存在盲區(qū)。CFD是一種以計(jì)算機(jī)計(jì)算為基礎(chǔ), 對(duì)流體傳質(zhì)傳熱等現(xiàn)象進(jìn)行分析的方法[15-17]。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的逐漸提升, CFD中的網(wǎng)格生成技術(shù)、算法、湍流模型等得到了巨大的發(fā)展, 在降低研究成本、提高科研效率的前提下可以對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算, 并且對(duì)于研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(jìn)器是由環(huán)狀導(dǎo)管、前后置定子與螺旋槳所組成的推進(jìn)裝置, 其中帶有翼型的前置定子可以使水流產(chǎn)生預(yù)旋, 帶有翼型的后置定子可以回收尾流中旋轉(zhuǎn)的能量, 故基于上述的泵噴整流機(jī)理, 在水下推進(jìn)器添加特定的前、后置定子使其變?yōu)轭惐脟娡七M(jìn)器, 并利用CFD仿真分析研究類泵噴推進(jìn)器中螺旋槳在泵噴整流機(jī)理中抑制空泡的效果, 提出一種有效抑制空化氣泡產(chǎn)生以及減小水下推進(jìn)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(gòu)建

1.1 幾何模型構(gòu)建與描述

以Whale1212水下推進(jìn)器為研究對(duì)象, 如圖1所示, 該標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)推進(jìn)器由密封艙、槳軸、螺旋槳、導(dǎo)管和支撐桿組成, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的深海推進(jìn)器在標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的基礎(chǔ)上增加了前置定子與后置定子。

圖1 水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

該水下推進(jìn)器的螺旋槳采用帶有側(cè)斜的D型導(dǎo)管槳系列結(jié)構(gòu), 如圖2所示。

圖2 水下推進(jìn)器螺旋槳結(jié)構(gòu)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(shí)為了延遲梢部空泡的產(chǎn)生, 對(duì)梢部的導(dǎo)邊和隨邊沒有進(jìn)行倒圓處理, 因?yàn)樗魍ㄟ^未倒圓處理的倒邊與隨邊后不會(huì)進(jìn)行分離, 減少了水流的紊亂, 其余參數(shù)如表1所示。

表1 水下推進(jìn)器螺旋槳參數(shù)

所選導(dǎo)管為DSN系列結(jié)構(gòu)加速型導(dǎo)管, 這一系列的導(dǎo)管由于具有較大的導(dǎo)管口面積, 因此在重載情況下具有較高的推進(jìn)效率。導(dǎo)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(dǎo)管剖面參數(shù)如表2所示。

表2 水下推進(jìn)器導(dǎo)管參數(shù)

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

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建與描述

采用CFD商業(yè)軟件Fluent 14.0對(duì)上述螺旋槳推進(jìn)器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真, 借助非定常的雷諾平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS) 模型對(duì)流場(chǎng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程進(jìn)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(duì)空化氣泡的增長和潰滅過程進(jìn)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(duì)上述推進(jìn)器用的螺旋槳流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力性能進(jìn)行分析。圖3所示是為下文中優(yōu)化抑制方案提供優(yōu)化依據(jù)的基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖3 螺旋槳基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

采用Gambit前處理軟件對(duì)螺旋槳的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 模型中的流域根據(jù)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的特點(diǎn)分為兩大部分: 靠近螺旋槳的動(dòng)域fluid-1和遠(yuǎn)離槳的靜域fluid-2, 其中動(dòng)域?yàn)閳A柱形, 靜域?yàn)闇y(cè)試水箱的長方體。在網(wǎng)格劃分過程中, 針對(duì)螺旋槳的表面和導(dǎo)流罩的表面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理, 對(duì)fluid-1和fluid-2分別采用遞增函數(shù)fun-1和fun-2來進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 使得靠近螺旋槳旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格盡量細(xì)膩, 以保證計(jì)算的精度。遠(yuǎn)離計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格稍微大些, 節(jié)約計(jì)算時(shí)間。在邊界條件的定義中, fluid-1中的上表面為速度進(jìn)口, 下表面為自由出口, 側(cè)面為剛性壁面; fluid-2中螺旋槳和導(dǎo)流罩的表面均為剛性壁面, 其余各面默認(rèn)為內(nèi)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(qū)域, 其中氣相體積比率如式(7)所示。通過對(duì)葉梢部位的壓力系數(shù)分布云圖(如圖5所示)分析可知, 該區(qū)域存在明顯的低壓區(qū), 這是由于螺旋槳的轉(zhuǎn)速最大時(shí), 葉梢區(qū)域的壓力能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能, 此時(shí)負(fù)載最大, 壓強(qiáng)隨之降低。

圖5 壓力系數(shù)分布云圖

通過對(duì)尾流區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(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(chǎn)生空洞區(qū), 造成壓強(qiáng)降低。

圖6 尾流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

由此可知, 抑制螺旋槳的空化, 需要對(duì)葉梢和尾流2個(gè)區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化, 主要措施包括:

1) 對(duì)螺旋槳槳葉前面的流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)旋處理, 降低葉梢部位的負(fù)載, 減緩能量轉(zhuǎn)換的程度;

2) 對(duì)螺旋槳槳轂后面的流場(chǎng)進(jìn)行整流處理, 破壞槳轂后面的渦旋, 將流場(chǎng)的周向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向運(yùn)動(dòng)。

2.2 前置定子影響特性分析

通過在螺旋槳前面設(shè)置前置定子替換支撐桿, 實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入導(dǎo)管的水流進(jìn)行預(yù)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(jié)構(gòu)對(duì)螺旋槳的空化性能和水動(dòng)力性能的影響。首先采用NACA-0424剖面結(jié)構(gòu)的定子(如圖7所示), 分析在不同轉(zhuǎn)速下葉梢部位空化區(qū)域的強(qiáng)度(如圖8所示)。

圖7 添加前置定子結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 不同轉(zhuǎn)速空化比率圖

這是由于前置定子對(duì)進(jìn)入導(dǎo)管的水流進(jìn)行了重新梳理, 使其到達(dá)螺旋槳的流線為均勻流, 如圖9所示, 從而使得該區(qū)域的渦旋減弱, 避免了空化區(qū)域的出現(xiàn)。

圖9 添加前置定子的流場(chǎng)示意圖

圖10為該區(qū)域的壓力系數(shù)分布云圖, 由此可以分析出, 與基準(zhǔn)態(tài)相比, 低壓區(qū)的壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)示意圖

以3 kn進(jìn)速, 2 800 r/m時(shí)螺旋槳的工況為例(如圖14和圖15所示)。

圖14 推進(jìn)器扭矩隨尾翼弦徑比變化曲線

圖15 推進(jìn)器效率隨弦徑比變化曲線

圖16 推進(jìn)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(duì)尾翼的最優(yōu)位置進(jìn)行優(yōu)化分析。設(shè)定距離比分別為0.2、0.5和0.8三種方案, 推進(jìn)器的總扭矩和效率對(duì)比分別如圖18和圖19所示。由圖18可以看出, 當(dāng)距離比為0.2時(shí), 推進(jìn)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(duì)推進(jìn)器的效率影響不大。

圖18 推進(jìn)器扭矩隨尾翼距離變化對(duì)比圖

圖19 推進(jìn)器效率隨尾翼距離變化對(duì)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(qū)域增大, 使得低壓空化區(qū)增大。

圖20 推進(jìn)器效率與空化抑制率變化對(duì)比圖

3 螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)分析

3.1 PIV實(shí)驗(yàn)環(huán)境與方法

實(shí)驗(yàn)在天津科技大學(xué)的粒子圖像測(cè)速(par- ticle image velocimetry, PIV)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行, 圖21為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。水槽總長度為3.0 m, 拍攝區(qū)域段長為1.5 m, 寬為1.0 m, 高為0.7 m, 深海推進(jìn)器固定在水箱的前半段區(qū)域, 在不影響深海推進(jìn)器進(jìn)流的情況下, 留出足夠的觀測(cè)尾流區(qū)域, 距離水面0.3 mm。

圖21 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

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

圖22 深海推進(jìn)器固定示意圖

流體介質(zhì)所選示蹤粒子的直徑為10 μm, 粒子密度為1 030 kg/m3, 實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃。先通過高速相機(jī)拍攝水箱內(nèi)的粒子濃度, 再根據(jù)拍攝效果進(jìn)行示蹤粒子添加量的調(diào)節(jié), 最終使其

濃度滿足PIV實(shí)驗(yàn)的工作要求。數(shù)據(jù)采集裝置采用的是美國TSI公司提供的PIV系統(tǒng), 主要部件為激光器與高速相機(jī)。采用雙幀雙曝模式對(duì)圖像進(jìn)行采集后, 再利用自帶系統(tǒng)對(duì)采集圖像進(jìn)行相互算法的處理, 得到瞬時(shí)速度場(chǎng)中的速度矢量圖, 并通過Tecplot軟件對(duì)速度矢量圖進(jìn)行可視化處理得到速度場(chǎng)云圖。

3.2 PIV實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

對(duì)Whale1212型號(hào)深海推進(jìn)器進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn), 得到深海推進(jìn)器工作時(shí)的螺旋槳尾流速度云圖, 如圖23所示。在相同轉(zhuǎn)速下, 通過CFD流體仿真軟件獲得螺旋槳仿真速度場(chǎng)分布云圖, 如圖24所示。比較可知, 2個(gè)速度云圖特征大致相同, 在水流通過導(dǎo)管外部時(shí)顏色為深藍(lán)色, 說明此處的流場(chǎng)緩慢而穩(wěn)定; 當(dāng)水流通過導(dǎo)管內(nèi)部時(shí), 整體速度呈加快的趨勢(shì); 當(dāng)水流通過導(dǎo)管內(nèi)部后, 整體速度逐漸緩慢并成擴(kuò)散狀向周圍散去, 最終與槳后靜水區(qū)碰撞形成漩渦。

圖23 螺旋槳PIV實(shí)驗(yàn)速度場(chǎng)分布云圖

圖24 螺旋槳仿真速度場(chǎng)分布云圖

通過觀察1號(hào)區(qū)域與2號(hào)區(qū)域可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)水流通過導(dǎo)管內(nèi)部時(shí), 水流速度逐漸增加, 在接觸螺旋槳槳葉時(shí)水流速度達(dá)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(jìn)導(dǎo)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(shí), 其速度場(chǎng)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(yuǎn)離槳葉, 波浪由大變小直至消失不見。

3.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

圖25 水下推進(jìn)器測(cè)試示意圖

采用CFD方法對(duì)螺旋槳推進(jìn)器的系泊狀態(tài)推力進(jìn)行仿真, 所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖26所示。

圖26 水下推進(jìn)器推力折線圖

4 結(jié)束語

為了抑制水下推進(jìn)器螺旋槳空化的形成并提高其水動(dòng)力性能, 文中以導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器為研究對(duì)象, 基于泵噴整流機(jī)理, 通過在水下螺旋槳推進(jìn)器上加裝前置定子和后置定子, 從而達(dá)到類泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)。改變前置定子的相對(duì)彎度使得水流產(chǎn)生預(yù)旋, 改變后置定子的弦徑比和距離比可以回收尾流中旋轉(zhuǎn)的能量, 并分別對(duì)比分析了它們對(duì)螺旋槳水動(dòng)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(chǎng)的細(xì)節(jié)變化, 對(duì)影響結(jié)果進(jìn)行了定性和定量的全面分析, 得出如下結(jié)論。

1) 導(dǎo)管螺旋槳的空化區(qū)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(fā)生, 前置定子的空化抑制效果可達(dá)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(jìn)推進(jìn)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(duì)稱型前置定子和后置定子均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)螺旋槳扭矩的平衡, 后置定子的平衡效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前置定子。

文中僅針對(duì)單個(gè)螺旋槳的空化抑制展開研究, 下一步將基于實(shí)際使用場(chǎng)景, 針對(duì)多個(gè)螺旋槳工作時(shí)的空化情況進(jìn)行更為深入的研究。

[1] 蔣新松, 封錫盛, 王棣棠.水下機(jī)器人[M].沈陽: 遼寧科技出版社, 2000.

[2] Cansin? M, Ahmet Y G, Yasemin A ?, et al.Underwater Radiated Noise Prediction for a Submarine Propeller in Different Flow Conditions[J].Ocean Engineering, 2016,126(1):488-500.

[3] 聶延生, 韓學(xué)勝, 曾鴻, 等.對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)分析[J].船電技術(shù), 2005, 25(2): 50-52.

Nie Yan-sheng, Han Yue-sheng, Zeng Hong, et al.Analysis about the Construction Principle and Characteristics of Contra Rotating Propeller[J].Marine Electric & Electronic Engineering, 2005, 25(2): 50-52.

[4] 賈彩娟, 張宇文.水下航行器局部空泡流場(chǎng)的非線性分析[J].魚雷技術(shù), 2002, 10(3): 21-31.

Jia Cai-juan, Zhang Yu-wen.Nonlinear Analysis of the Partial Cavity Flow Field around Undersea Vehicle[J].Journal of Unmanned Undersea Systems, 2002, 10(3): 21-31.

[5] 宋保維, 馬驥, 胡海豹, 等.水下航行器流噪聲特性分析[J].魚雷技術(shù), 2009, 17(2): 5-9.

Song Bao-wei, Ma Ji, Hu Hai-bao, et al.Numerical Analysis of Flow Noise for Underwater Vehicle[J].Journal of Unmanned Undersea Systems, 2009, 17(2): 5-9.

[6] 陸芳, 陸林章, 龐業(yè)珍, 等.螺旋槳空泡與脈動(dòng)壓力及振動(dòng)特性研究[J].船舶力學(xué), 2019, 23(11): 1294-1299.

Lu Fang, Lu Lin-zhang, Pang Ye-zhen, et al.Investigation on Tip Vortex Cavitation and PressureFluctuation of Pro- peller[J].Journal of Ship Mechanics, 2019, 23(11): 1294- 1299.

[7] 溫亮軍, 唐登海, 辛公正, 等.螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)槳葉片空泡性能的影響分析[J].船舶力學(xué), 2016, 20(11): 1361-1368.

Wen Liang-jun, Tang Deng-hai, Xin Gong-zheng, et al.Numerical Study on the Effect of the Propeller Design Parameterson Its Sheet Cavitation Performance[J].Journal of Ship Mechanics, 2016, 20(11): 1361-1368.

[8] 齊江輝, 郭健, 鄭亞雄, 等.七葉側(cè)斜螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空泡性能的影響研究[J].推進(jìn)技術(shù), 2019, 40(10): 2367-2372.

Qi Jiang-hui, Guo Jian, Zheng Ya-xiong, et al.Numerical Simulation of a Seven-Blade Propeller with Skew onIts Cavitation Characteristics and Tip Vortex Evolution[J].Journal of Propulsion Technology, 2019, 40(10): 2367- 2372.

[9] 李生, 趙威, 劉敏.前置定子導(dǎo)管槳空化特性數(shù)值分析[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2019, 41(12): 20-24.

Li Sheng, Zhao Wei, Liu Min.Numerical Simulation of Cavitation Characteristics of Ducted Propeller with Pre-swirl Stators[J].Ship Science and Technology, 2019, 41(12): 20-24.

[10] 彭云龍, 王永生, 劉承江, 等.前置與后置定子泵噴推進(jìn)器的水動(dòng)力[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 40(1): 132-140.

Peng Yun-long, Wang Yong-sheng, Liu Cheng-jiang, et al.Comparative Analysis of the Hydrodynamic Performance ofFront-stator and Rear-stator Pump-jets[J].Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(1): 132-140.

[11] Park C, Kim G D, Yim G T, et al.A Validation Study of the Model Test Method for Propeller Cavitation Noise Prediction[J].Ocean Engineering, 2020, 213: 1-10.

[12] 劉啟軍, 邱家興, 程玉勝.船舶螺旋槳空化噪聲非均勻調(diào)制特性及其應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù),2017, 39(6):18- 22.

Liu Qi-jun, Qiu Jia-xing, Cheng Yu-sheng.Non-uniform Modulation Feature of Ship Propeller Cavitation Noise and its Application[J].Ship Science and Technology, 2017, 39(6): 18-22.

[13] Launder B E, Spalding D B.Lectures in Mathematical Models of Turbulence[M].London:Academic Press,1972.

[14] Yilmaz N, Dong X Q, Aktas B, et al.Experimental and Numerical Investigations of Tip Vortex Cavitation for the Propeller of a Research Vessel[J].Ocean Engineering, 2020, 215: 1-16.

[15] Sebastian K, Judyta F.Numerical and Experimental Propeller Noise Investigations[J].Ocean Engineering, 2016, 120(1):108-115.

[16] 張成, 張大海, 魏強(qiáng).螺旋槳非空泡噪聲數(shù)值計(jì)算方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2016, 38(5): 21-25.

Zhang Cheng, Zhang Da-hai, Wei Qiang.Numeric Simulation of Non-cavatation Propeller Noise[J].Ship Science and Technology, 2016, 38(5): 21-25.

[17] 邱家興, 程玉勝, 張?bào)@丞.船舶噪聲DEMON譜質(zhì)量評(píng)估方法[J].艦船科學(xué)技術(shù).2014, 36(9): 46-49.

Qiu Jia-xing, Cheng Yu-sheng, Zhang Jing-cheng.Study of Ship-radiated Noise DEMON Quality Assessment Methods[J].Ship Science and Technology, 2014, 36(9): 46-49.

[18] 韓寶玉, 姜鵬, 劉劍超, 等.螺旋槳非定常片空泡CFD數(shù)值方法研究[J].船舶工程, 2015, 37(1): 76-78, 166.

Han Bao-yu, Jiang Peng, Liu Jian-chao, et al.Numerical Study of Propeller Unsteady Sheet CavitationUsing CFD Method[J].Ship Science and Technology, 2015, 37(1): 76-78, 166.

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(jī)理的螺旋槳空化抑制研究[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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(xué)基金項(xiàng)目資助(E2018202259).

趙曉宇(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)