李福正,黃橋高,潘 光,秦登輝

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院,西安 710072；2.無(wú)人水下運(yùn)載技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北工業(yè)大學(xué)),西安 710072)

泵噴推進(jìn)器(Pumpjet,簡(jiǎn)稱(chēng)泵噴)是包含定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的一種組合式推進(jìn)器,一般以定子相對(duì)轉(zhuǎn)子前后順序分為前置定子式和后置定子式[1]。其中前置泵噴雖然相對(duì)后置雖然效率低,但由于定子工作在相對(duì)壓力波動(dòng)較低的區(qū)域,避免了轉(zhuǎn)子高速尾流的沖擊,可極大減小推進(jìn)器噪聲[2],因此目前被廣泛應(yīng)用于核潛艇,如以英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、俄羅斯分別為代表的最新研制的“無(wú)畏級(jí)”、“哥倫比亞級(jí)”、“梭魚(yú)級(jí)”和“北風(fēng)之神級(jí)”核潛艇均采用前置泵噴。

目前前置泵噴水動(dòng)力性能獲取主要途徑為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法,由于數(shù)值方法成本相對(duì)低,并能最大程度保留流場(chǎng)信息,是泵噴設(shè)計(jì)階段和校核階段普遍采用的方法。已有文獻(xiàn)如Huyer等[3]將定子安裝角度沿周向按照正弦函數(shù)排列,由于單個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)流條件不同,最終產(chǎn)生了側(cè)向力,可作為新型矢量推進(jìn)器。Park等[4]采用低雷諾數(shù)k-ε方程研究了帶前置定子的導(dǎo)管槳,主要分析了槳葉表面流線(xiàn)和不同半徑處的壓力系數(shù)。Ahn等[5]以單方程S-A模型分析了轉(zhuǎn)子葉梢加葉冠后的水動(dòng)力性能,結(jié)果表明雖然葉冠可有效控制葉梢泄露渦,但卻造成推力損失,而效率保持不變。趙威等[6]研究了前置定子彎曲對(duì)槳葉前三階非定常推力的性能,結(jié)果表明前彎和后彎均可有效降低推力脈動(dòng),并分析了不同軸向位置處定子尾流沿周向分布,文中指出可能是由于定子尾跡相位差引起。Wang等[7]針對(duì)葉梢渦模型,并結(jié)合面元法分析了水動(dòng)力性能。彭云龍等[8]從敞水特性、空化特性和脈動(dòng)特性3方面比較了前置和后置泵噴的性能,結(jié)果表明前置泵噴效率較低,空化性能較差,但導(dǎo)管進(jìn)出口壓力脈動(dòng)遠(yuǎn)低于后置泵噴。Qin等[9]同樣分析了前置和后置泵噴區(qū)別,除非定常脈動(dòng)性能外,重點(diǎn)分析了泵噴尾渦動(dòng)力特性。結(jié)果表明前置泵噴轂渦相對(duì)穩(wěn)定,梢渦同樣受導(dǎo)管和葉梢相互作用而增強(qiáng)。由于前置泵噴特殊應(yīng)用,公開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究較少,如Yu等[10]通過(guò)空泡水筒的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前置泵噴計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

雖然前置泵噴在民用方面已有普及,如美國(guó)通用電氣公司(General electric Company,GE)和ABB分別研發(fā)的吊艙推進(jìn)器[11],但目前仍以潛艇應(yīng)用居多,故噪聲指標(biāo)極為重要。泵噴噪聲與流場(chǎng)低頻脈動(dòng)息息相關(guān),改善泵噴噪聲的重點(diǎn)在于如何調(diào)整推進(jìn)器的結(jié)構(gòu),以促使流場(chǎng)向更有利于聲隱性的方向發(fā)展。而前置定子結(jié)構(gòu)是泵噴水動(dòng)力性能和流場(chǎng)特性的決定性因素之一,如饒志強(qiáng)等[12]采用RNGk-ε模型研究了定子葉片數(shù)、翼型厚度及安裝角對(duì)泵噴定常性能的影響,表明安裝角對(duì)推力、扭矩和效率影響最大。Yu等[13]采用SSTk-ω分析了定子弦長(zhǎng)、安裝角、轉(zhuǎn)定距離對(duì)泵噴的非定常性能的影響,結(jié)果同樣表明安裝角對(duì)槳葉表面脈動(dòng)特性和推力脈動(dòng)影響最大?；谏鲜鲅芯?本文將以某泵噴為原型,采用Ansys/Fluent重點(diǎn)研究前置定子角度對(duì)包括槳葉在內(nèi)的各部件及轉(zhuǎn)定之間流場(chǎng)點(diǎn)的低頻脈動(dòng)性能影響。不同于其他學(xué)者,本文將定子角度分為進(jìn)流角、出流角和安裝角,并對(duì)其分別進(jìn)行調(diào)整研究。

1 泵噴模型

1.1 幾何參數(shù)

本文采用的泵噴,其原始幾何模型(origin model)如圖1所示,定子和轉(zhuǎn)子葉片隨邊為鈍邊,葉根部分別有2.0,2.5 mm半徑的倒圓,為后續(xù)幾何模型處理及離散網(wǎng)格的方便,本文研究的模型取消了葉根倒圓,并且將葉片隨邊處理為圓角。改型后的泵噴(modified model)如圖1所示,其中定子和轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目分別為8和6,轉(zhuǎn)子的直徑(Dr)為166.4 mm,間隙為1 mm,大約為0.6%Dr,轂徑比為0.3,投影盤(pán)面比Ap/A0=0.8。轉(zhuǎn)子各半徑處螺距比(P/D)見(jiàn)表1。圖2為定子和導(dǎo)管的主要幾何參數(shù)示意圖,具體參數(shù)見(jiàn)表2。由于泵噴進(jìn)流段與潛艇尾端相匹配,故定子槳轂為圓錐面,導(dǎo)致前后定子直徑不同。圖2中Ds1和Ds2分別為定子進(jìn)口和出口直徑,H為定子葉高,表示葉片軸向長(zhǎng)度。Dd1、Dd2分別為導(dǎo)管進(jìn)口和出口直徑,Ld為導(dǎo)管軸向總長(zhǎng),坐標(biāo)原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子中間正對(duì)下方r=0的位置。

圖1 前置泵噴外觀

表1 轉(zhuǎn)子各半徑處螺距比

圖2 泵噴模型幾何參數(shù)

表2 定子和導(dǎo)管參數(shù)

1.2 定子角度調(diào)節(jié)

本文泵噴定子采用圓弧設(shè)計(jì)法,即骨線(xiàn)(中弧線(xiàn))為圓弧段,通過(guò)控制沿進(jìn)流和出流方向切線(xiàn)角度以確定圓弧形狀,再將其根據(jù)翼型沿弦長(zhǎng)的厚度分布進(jìn)行加厚。圖3(a)所示為定子在徑向?yàn)?.7展面時(shí)剖面翼型示意圖。其中進(jìn)流角和出流角的幾何關(guān)系為αin+αout=90°+β。

在調(diào)節(jié)定子出流角和進(jìn)流角時(shí),控制另一個(gè)角度不變,通過(guò)幾何關(guān)系先求得圓弧半徑R,得到骨線(xiàn)。再根據(jù)原始翼型厚度分布沿半徑方向加厚,加厚方法為：以骨線(xiàn)某一點(diǎn)為圓心,以對(duì)應(yīng)位置厚度為直徑作圓,與半徑方向相交的點(diǎn)即為壓力面和吸力面的坐標(biāo)點(diǎn),由此得到新調(diào)整的翼型。在調(diào)節(jié)安裝角αsta時(shí),則直接將翼型繞前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度。定子角度調(diào)節(jié)為

(1)

此外角度的調(diào)整將引起定子投影面軸向長(zhǎng)度不一致,為消除定子尾緣到轉(zhuǎn)子距離對(duì)壓力脈動(dòng)的影響,將定子不同剖面處翼型等比例擴(kuò)展到與原模型軸向長(zhǎng)度一致。圖3(b)為采用不同預(yù)旋角調(diào)整方式后的翼型示意圖。

圖3 定子剖面翼型幾何示意

2 數(shù)值分析方法與驗(yàn)證

2.1 控制方程

采用基于雷諾平均的N-S控制方程：

(2)

(3)

2.2 計(jì)算域及邊界條件設(shè)定

將求解區(qū)域劃分為內(nèi)流域和外流域,其中內(nèi)流域又可分為定子域和轉(zhuǎn)子域,考慮到計(jì)算成本及后處理時(shí)高保真度,計(jì)算域全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。如圖4、5分別展示了外流場(chǎng)和內(nèi)流程的網(wǎng)格,為避免進(jìn)口及出口區(qū)域?qū)α鲌?chǎng)的干擾,外流域的前后距離分別為5Dr和10Dr,在徑向處距離同樣設(shè)為5Dr,使流場(chǎng)充分延伸,具體邊界條件如圖4所示。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中充分考慮到近壁面影響,通過(guò)布拉休斯公式,即

(4)

計(jì)算得到y(tǒng)+為1時(shí),壁面第1層網(wǎng)格y應(yīng)為2.6×10-6m,其中Vref為特征速度,取槳葉在0.75半徑處剖面翼型的進(jìn)流速度,ν為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),即μ/ρ。Lref為特征長(zhǎng)度,取轉(zhuǎn)子0.75半徑處翼型弦長(zhǎng),即128 mm。為得到精確的結(jié)果,本文采用y=2.0×10-6m,保證壁面處有足夠密的附面層網(wǎng)格。對(duì)于定常工況,基于多重參考系(MRF)模型迭代不小于1 000步,保證結(jié)果收斂,并提取最后一步作為泵噴敞水特性結(jié)果;而非定常工況則基于Sliding Mesh技術(shù)在定常流場(chǎng)的基礎(chǔ)上求解,并以槳葉轉(zhuǎn)過(guò)1°的時(shí)間為時(shí)間步長(zhǎng),共計(jì)算6個(gè)周期,以第4個(gè)周期以后結(jié)果作為有效數(shù)據(jù)。

圖4 計(jì)算域及邊界條件

圖5 內(nèi)流域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

2.3 網(wǎng)格驗(yàn)證

泵噴完全沉入深水中,且不受自由液面的影響,在邊界條件設(shè)置中出口處相對(duì)壓力設(shè)為0,在分析流場(chǎng)形態(tài)時(shí)可加上水壓頭。固定螺旋槳轉(zhuǎn)速n=20 r/s,改變進(jìn)速VA來(lái)模擬在水槽中的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。進(jìn)速與z軸正方向同向,轉(zhuǎn)速根據(jù)右手定則為z軸負(fù)方向。分析泵噴的性能時(shí),其各部件包括轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)及敞水效率可分別為

(5)

式中：Tr、Ts、Td、Qs、Qs分別為槳葉推力、定子推力、導(dǎo)管推力、槳葉扭矩、定子扭矩,總推力為T(mén),η0為敞水效率,n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,ρ為水在常溫25°時(shí)的密度,取997 kg/m3。

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,對(duì)比了不同數(shù)目網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果,表3所示為3種不同內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格單個(gè)計(jì)算通道數(shù)目的對(duì)比。而外域網(wǎng)格一般只進(jìn)行微調(diào),除保證導(dǎo)管近壁面足夠多的網(wǎng)格外,針對(duì)與之相匹配的轉(zhuǎn)子域和定子域的網(wǎng)格大小,網(wǎng)格要保證較好地連續(xù)過(guò)渡。最終外域網(wǎng)格數(shù)目約為259萬(wàn)。

表3 不同數(shù)目網(wǎng)格

圖6所示為泵噴在n=20 r/s水動(dòng)力性能曲線(xiàn),圖6(a)為不同網(wǎng)格數(shù)目的槳葉推力系數(shù)和扭矩系數(shù)同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]的對(duì)比,可以看出,網(wǎng)格的細(xì)化對(duì)結(jié)果并不會(huì)造成太大的影響,對(duì)比中等網(wǎng)格與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在進(jìn)速系數(shù)J=0.1～0.8時(shí),推力系數(shù)誤差為5%～7%,扭矩系數(shù)為2%～4%,而誤差值隨著進(jìn)速系數(shù)的提高逐步呈非線(xiàn)性增加,在進(jìn)速系數(shù)

圖6 泵噴水動(dòng)力系數(shù)曲線(xiàn)

為1.2時(shí)誤差最大,推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的誤差分別達(dá)到10%和8%。由于是非設(shè)計(jì)工況,故不予考慮?？紤]到計(jì)算成本,本文后續(xù)將采用中等網(wǎng)格做進(jìn)一步研究。圖6(b)所示為泵噴各部件及總體性能,注意其中定子推力系數(shù)為負(fù),其扭矩系數(shù)方向與槳葉相反,為方便后續(xù)分析,取其絕對(duì)值。導(dǎo)管在不同進(jìn)速下對(duì)泵噴總推力所體現(xiàn)的作用不同,可以看到在進(jìn)速系數(shù)約為0.7時(shí)導(dǎo)管推力由正轉(zhuǎn)負(fù),并隨進(jìn)速的增加逐步增加。對(duì)比不同進(jìn)速系數(shù)下由總推力系數(shù)和槳葉扭矩系數(shù)計(jì)算得到的敞水效率η0,可以看出相比傳統(tǒng)螺旋槳,η0在較廣的進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)變化并不大,這也是泵噴優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槳的原因之一。本文泵噴最高效率大約為J=0.9,考慮到一般艦艇設(shè)計(jì)工況低于最高效率點(diǎn),故本文后續(xù)將以J=0.8為主要分析工況。

圖7所示為泵噴在J為0.8時(shí)近壁面y+分布云圖,其中槳葉和定子從左向右分別為壓力面和吸力面,可以看到槳葉導(dǎo)邊靠近葉梢處y+值最大,但不超過(guò)1,而其他部位都在0.5左右,對(duì)于定子和導(dǎo)管,由于其特征速度較低,采用與槳葉相同的第一層附面層網(wǎng)格導(dǎo)致y+值遠(yuǎn)小于1。總體來(lái)看,滿(mǎn)足后續(xù)分析的精度要求。

圖7 壁面y+分布云圖

3 結(jié)果分析

3.1 泵噴敞水特性

圖8所示為泵噴在不同定子角度時(shí)敞水特性曲線(xiàn),可以看出,隨著泵噴的推力、扭矩和最高效率都隨著定子角度的增大而增大。其中αsta的影響最大,且最高效率點(diǎn)隨αsta的增大而向較高進(jìn)速系數(shù)偏移,αout影響次之,αin影響最小。綜合分析認(rèn)為：定子角度的增大將使流體預(yù)旋更強(qiáng)烈,即增加了槳葉進(jìn)流位置周向速度,使槳葉各半徑翼型剖面攻角增大,與螺旋槳中增大槳葉螺距角作用相同。由于αout改變的是出流位置,更接近于槳葉進(jìn)流位置,而調(diào)整αin雖然增大了定子首部預(yù)旋角,但流體卻在流過(guò)定子狹長(zhǎng)的通道后導(dǎo)致出流位置的預(yù)旋損失,因此αout影響比αin更顯著;由于調(diào)整αsta是同時(shí)改變?chǔ)羒n和αout,αsta每增大1.0°,αin和αout都要增大0.5°,因此αsta的效果更明顯。此外,雖然角度的增大會(huì)導(dǎo)致定子阻力增大,但由于定子負(fù)載相對(duì)轉(zhuǎn)子小的多,其絕對(duì)增大值遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子,故使得總推力、扭矩和效率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖8 不同定子角度泵噴敞水曲線(xiàn)

3.2 槳葉推力脈動(dòng)

槳葉非定常力可以從一定程度上反應(yīng)葉片表面壓力脈動(dòng),并常用來(lái)分析葉片激振力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖9所示為J=0.8時(shí),不同定子角度下轉(zhuǎn)子單葉片非定常推力在頻域的結(jié)果,圖9(a)為推力的頻譜曲線(xiàn),縱坐標(biāo)表示推力在對(duì)應(yīng)頻率下的脈動(dòng)幅度?？梢园l(fā)現(xiàn),受定子干擾,轉(zhuǎn)子單葉片的推力脈動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)頻率主要為BPFs(定子數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積)的倍頻程。此外還存在大量離散低幅軸頻fa(即轉(zhuǎn)速)的倍頻程信息,并在4fa時(shí)有相對(duì)較大的脈動(dòng)力。圖9(b)為進(jìn)一步對(duì)比包括4fa和1BPFs～6BPFs特征頻率處推力脈動(dòng)具體幅值大小,結(jié)果表明：1BPFs脈動(dòng)幅度相對(duì)其他頻率最大,以αφ=0°為例,2BPFs下降了80%,其他頻率下降超過(guò)90%。在1BPFs處,推力脈動(dòng)幅度最低值在αin和αsta為4°時(shí)分別達(dá)到最小;而至于αout,脈動(dòng)幅度與之呈單調(diào)性減小趨勢(shì),并且該趨勢(shì)隨αout的增大逐漸變緩;對(duì)比同一αφ下不同αφ調(diào)整方式的脈動(dòng)幅度,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)αφ為正時(shí),αsta影響最大,αin次之,αout最小;當(dāng)αφ為負(fù)時(shí),影響規(guī)律不是特別明顯。在2BPFs處,脈動(dòng)幅度分別在αin=8°、αout=0°和αsta=4°達(dá)到最小。在3BPFs處,最小值分別為αin=-8°、αout=-4°和αsta=-8°。其他頻率處脈動(dòng)幅度最小值對(duì)應(yīng)的角度也均存在差異。

圖9 不同角度時(shí)單葉片推力頻域結(jié)果

圖10所示為J=0.8時(shí),不同定子角度下槳葉總推力的非定常脈動(dòng)幅度在頻域的結(jié)果,圖10(a)為對(duì)應(yīng)的頻譜曲線(xiàn),可以發(fā)現(xiàn),受轉(zhuǎn)定子數(shù)目干擾,最大脈動(dòng)幅度對(duì)應(yīng)頻率為4BPFr(轉(zhuǎn)子數(shù)目與轉(zhuǎn)速的乘積),同時(shí)也是3BPFs。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的推導(dǎo),在對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳中,一般非定常推力和扭矩的變化頻率為：f=fa(mBF+kBA),其中BF和BA分別為前槳和后槳葉片數(shù),m和k為常數(shù),并滿(mǎn)足mBF=kBA。由于泵噴中定子為靜止?fàn)顟B(tài),相對(duì)于轉(zhuǎn)子以n的轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)。故可看作轉(zhuǎn)速為n/2對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)器,其特征頻率為：f=fa(mBF+kBA)/2,對(duì)應(yīng)本文的480 Hz。此外圖中波峰位置除數(shù)倍的fa外,在諸如1BPFr～5BPFr處均存在不同幅度的脈動(dòng)峰值。進(jìn)一步比較數(shù)倍于BPFr的特征頻率下脈動(dòng)幅值,可以看出4BPFr處推力幅值最大,并遠(yuǎn)大于其他頻率。以αφ=0°為例,1BPFr～5BPFr相對(duì)其下降幅度超過(guò)95%。當(dāng)角度為正時(shí),尤其是αφ=8°時(shí),αsta對(duì)脈動(dòng)幅度的影響最大,αin次之,αout最小;而角度為負(fù)時(shí),3種角度的調(diào)整方式影響不大。在4BPFr處,脈動(dòng)幅度隨αin和αsta的增大而增大,而αout=-4°時(shí)脈動(dòng)幅度最小。其他頻率的脈動(dòng)幅度隨角度變化規(guī)律并不一致,最小幅值對(duì)應(yīng)的角度也各不相同。

圖10 不同角度時(shí)槳葉總推力頻域結(jié)果

3.3 葉片表面壓力脈動(dòng)

葉片表面的壓力脈動(dòng)是推進(jìn)器重要的物理量之一,不僅反映水動(dòng)力噪聲強(qiáng)度,而且是非定常激振力的成因之一。本文主要分析定子和轉(zhuǎn)子葉片表面的壓力脈動(dòng),并以式(5)中的壓力標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量。

(6)

圖11為J=0.8時(shí)槳葉表面壓力標(biāo)準(zhǔn)差云圖,其中圖11(a)為槳葉壓力面,圖11(b)為槳葉吸力面,從左到右分別對(duì)應(yīng)αφ為-8°,-4°,0°,4°和8°的云圖,從上到下分別為不同αin、αout、αsta的影響,流向從左向右。

圖11 不同角度時(shí)槳葉壓力標(biāo)準(zhǔn)差

可以看到,槳葉壓力面和吸力面均存在較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)。葉片前緣因與流體首先相接觸而受到?jīng)_擊,其壓力脈動(dòng)最強(qiáng),并且最大值超過(guò)1 000 Pa,隨著角度增大,前緣局部較大的壓力標(biāo)準(zhǔn)差范圍逐漸增大。葉梢附近由于受葉梢泄露渦(Tip leakage vortex，TLV)、葉梢泄露流(Tip leakage flow，TLF)[16]影響,在壓力面和吸力面均存在較大脈動(dòng)壓力,定子角度的增大均使得葉梢壓力脈動(dòng)增強(qiáng);然而3種角度的調(diào)整方式對(duì)葉梢脈動(dòng)影響規(guī)律在αφ為正、負(fù)時(shí)不同,在同一角度下,當(dāng)αφ為負(fù)時(shí),脈動(dòng)強(qiáng)度規(guī)律為：αin>αout>αsta,而當(dāng)αφ為正時(shí),αin<αout<αsta。此外,在經(jīng)過(guò)葉片前緣較高的脈動(dòng)強(qiáng)度區(qū)域后,靠近前緣部分范圍內(nèi)及葉根處均存在局部較高的脈動(dòng)幅值;而葉片徑向中部存在一定壓力波動(dòng)平穩(wěn)區(qū)域。整體來(lái)看,隨著定子角度增大,該區(qū)域范圍逐漸減小,尤其當(dāng)αsta增大到8°時(shí),脈動(dòng)較平穩(wěn)區(qū)域大幅減小,并且在αφ=8°時(shí),該區(qū)域范圍大小規(guī)律為αsta>αin>αout,同時(shí)也印證了槳葉推力脈動(dòng)中定子角度調(diào)整方式對(duì)單槳葉推力脈動(dòng)幅度的影響規(guī)律。而對(duì)于其他αφ,3種角度調(diào)整方式對(duì)該區(qū)域范圍大小的影響規(guī)律并不完全一致。

圖12所示為J=0.8時(shí)不同定子葉片表面的壓力標(biāo)準(zhǔn)差云圖,該圖從左到右及從上到下布置對(duì)應(yīng)的角度大小及調(diào)整方式同圖11不同的是,每個(gè)角度對(duì)應(yīng)兩個(gè)云圖,左右分別為定子壓力面和吸力面。流向從左向右。

圖12 不同角度時(shí)定子壓力標(biāo)準(zhǔn)差

由于定子圍流場(chǎng)變化不是特別劇烈,其負(fù)載相對(duì)轉(zhuǎn)子小得多,故脈動(dòng)幅度也較低。而定子葉片在較高徑向位置及后緣區(qū)域存在較大分層顯示的壓力標(biāo)準(zhǔn)差,并且越靠近后緣,其脈動(dòng)幅度越大;但壓力面高脈動(dòng)區(qū)范圍小于吸力面。分析原因可能為葉片吸力面邊界層出現(xiàn)分離,導(dǎo)致定子尾緣存在周期性脫落渦,進(jìn)而使定子隨邊壓力脈動(dòng)較大。

此外,當(dāng)αφ為正時(shí),隨著角度增大,吸力面前緣位置壓力波動(dòng)幅度及范圍均劇烈增加,所不同的是,調(diào)整αsta和αin均比αout影響大,尤其當(dāng)αsta=8°時(shí),吸力面高壓力波動(dòng)范圍區(qū)域大幅增加。而對(duì)于同一角度下,3種角度調(diào)整方式對(duì)葉表脈動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律有所不同,如在壓力面,當(dāng)αφ為負(fù)時(shí),葉片尾緣局部脈動(dòng)強(qiáng)度規(guī)律為αin>αout>αsta,當(dāng)αφ為正時(shí),αin<αout<αsta;而吸力面規(guī)律在αφ為負(fù)時(shí)并不明顯。

3.4 泵噴內(nèi)部流場(chǎng)點(diǎn)壓力脈動(dòng)

為進(jìn)一步分析定子角度對(duì)泵噴流場(chǎng)壓力脈動(dòng)的影響,在非定常計(jì)算中引入多個(gè)監(jiān)控點(diǎn),監(jiān)測(cè)位置如圖13所示,在包括定子前緣、轉(zhuǎn)定子之間及噴尾部不同軸向位置(A1～A5)和槳轂到槳罩之間的徑向位置(S1～S5)分別布置壓力監(jiān)控點(diǎn)。其中軸向坐標(biāo)分別為z=-0.09,-0.06,-0.03,0.03,0.06;徑向截面位置分別為Span=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5。監(jiān)測(cè)點(diǎn)以軸向和徑向位置命名,如圖13中的P點(diǎn)為：A1S3,其壓力頻譜曲線(xiàn)如圖14所示?？梢钥闯?壓力脈動(dòng)最大幅值位于1BPFr處,2BPFr～4BPFr對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)幅值已經(jīng)下降了95%～98%。因此本文將主要分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1BPFr處的脈動(dòng)幅值。

圖13 壓力監(jiān)控點(diǎn)布置

圖14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P(A1S3)的頻譜曲線(xiàn)

圖15所示為原模型,即αφ=0°時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)傅里葉變換后在120 Hz的壓力信息,圖15(a)為所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力幅度云圖,可以看出,在徑向方向,壓力幅度由槳轂到槳罩呈先增大后減小的規(guī)律,這是由于槳葉在位于中間及較高半徑處的葉元體為主要做功位置所致;在軸向方向,呈現(xiàn)從上游到下游逐步增大的趨勢(shì),并且最大位置出現(xiàn)在泵噴尾部,這是由于泵噴尾渦結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定作用所引起。圖15(b)為不同軸向位置處,展向S2～S5截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于S1處的相位差。由于葉表及附近壓力脈動(dòng)與非定常流動(dòng)直接相關(guān),而各展向截面處的流動(dòng)表達(dá)式為

m(r,t)=m(r)+m′[r,ωt+φm(r)]

(6)

式中m為流場(chǎng)中物理量,可表示為流量、速度、壓力等,其中m為平均值,m′為脈動(dòng)量,并且在不同半徑r處以同頻角速度ω,不同角速度φm呈正弦脈動(dòng)。因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相位信息也是泵噴低頻脈動(dòng)的關(guān)鍵信息。可以看出在包含0.5及以下的徑向位置處,各點(diǎn)相較于S1處相位均均為延遲;而大于0.5展向后均有延遲或超前,尤其軸向A2和A5位置,在0.9展向處相位變化劇烈,這是由于在葉頂端壁黏性渦漩及泵噴尾流復(fù)雜的渦流所致。

圖16所示為J=0.8時(shí),所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)在120 Hz的壓力幅度云圖,云圖色階及范圍同圖15(a)。比較不同定子角度調(diào)整方式對(duì)最大位置及附近壓力脈動(dòng)幅度的影響,可以發(fā)現(xiàn)其與定子角度呈正相關(guān);當(dāng)角度為負(fù)時(shí),角度調(diào)整方式對(duì)其影響規(guī)律為：αin>αout>αsta;而角度為正時(shí),該處的壓力脈動(dòng)幅度影響規(guī)律為：αin<αout<αsta。

圖15 各監(jiān)控點(diǎn)在1BPFr處壓力信息

圖16 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1BPFr壓力幅值云圖

槳葉入流條件是決定葉片表面非定常脈動(dòng)特性的因素之一,因此需重點(diǎn)分析槳葉前緣的流動(dòng)。圖17給出了A3位置不同徑向處120 Hz的相位關(guān)系,其中相位差計(jì)算時(shí)以0.1展向截面處即S1位置為基準(zhǔn)?？梢钥闯?不同定子角度相位差在調(diào)整αin時(shí)變化相對(duì)較小,并且相位與原模型一致,均落后于基準(zhǔn)點(diǎn)。而αout和αsta均以αφ的正、負(fù)為區(qū)別表現(xiàn)出兩極化的趨勢(shì),其中αsta表現(xiàn)更為明顯,即當(dāng)αφ為正時(shí),相位均落后基準(zhǔn)點(diǎn);當(dāng)αφ為負(fù)時(shí),相位提前于基準(zhǔn)點(diǎn);并且角度絕對(duì)值越大,其相位絕對(duì)值也越大。由于較高半徑處(S5位置)監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近導(dǎo)管黏性壁面,而該區(qū)域以壁面黏渦和槳葉附近復(fù)雜二次流動(dòng)主導(dǎo),其相位關(guān)系與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比差異較大。

圖17 A3位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)相位差

4 結(jié) 論

1)數(shù)值分析了3種定子角度調(diào)整方式對(duì)泵噴性能影響,發(fā)現(xiàn)增大進(jìn)流角,出流角和安裝角均能增大泵噴推力、扭矩及最高效率,但安裝角影響最大,出流角次之,進(jìn)流角最小。

2)分析J為0.8時(shí),不同定子角度下推力、葉片表面、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)幅度。發(fā)現(xiàn):①單槳葉受定子葉片數(shù)影響,在1倍定子葉頻處達(dá)到最大,并且在調(diào)整角度為正時(shí),對(duì)幅度影響規(guī)律為：安裝角>進(jìn)流角>出流角,影響規(guī)律不明顯。而總推力脈動(dòng)幅度受定子和轉(zhuǎn)子葉片數(shù)影響,在4倍轉(zhuǎn)子葉頻達(dá)到最大,其受定子角度調(diào)整方式影響規(guī)律與單槳葉相同。②槳葉前緣和葉梢附近脈動(dòng)強(qiáng)度最大,而定子則在尾緣最強(qiáng),并且兩者都隨定子角度增大而增強(qiáng),但角度調(diào)整方式對(duì)其影響規(guī)律在調(diào)整角分別為正、負(fù)時(shí)相反。③泵噴較強(qiáng)壓力脈動(dòng)分布在徑向中部及定子尾部,最大位置在尾部中高半徑處,并隨角度增加而增加;角度調(diào)整方式對(duì)其影響規(guī)律同樣在角度為正和負(fù)時(shí)相反。槳葉入流位置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)相位關(guān)系在調(diào)整進(jìn)流角時(shí)差異較小,但出流角和安裝角的調(diào)整使其按定子角度正、負(fù)呈兩極化分布。