董新國 林 輝 嚴 鵬 李 寧

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.噴水推進技術重點實驗室 上海200011）

引 言

泵噴推進器是由環(huán)狀導管、定子和轉(zhuǎn)子構成的組合式推進裝置，是安靜型核潛艇和水下航行器首選推進方式［1-2］。導管將泵噴推進器流場分解成內(nèi)外流場，為剖面機翼型、軸對稱環(huán)形結構，對推進器水動力、空泡、噪聲性能都具有重要影響［3］。

導管的形式主要有兩種，盛振邦和劉應中［4］按環(huán)流理論給出了加速型和減速型導管的定義（圖1）。Capos FD［5］計算得到了導管37在三種不同雷諾數(shù)下的內(nèi)外表面壓力系數(shù)分布。楊瓊方和王永生［6］分析了艇艉導管剖面NACA6417翼型在20°和15°傾角下，不同部位邊界層流速度沿徑向的分布規(guī)律，認為采用相對較大攻角的導管時既能抑制艇體阻力增加量，又能使導管不至于承受較大的推力負荷，進而達到小推力或零推力導管設計的目的。劉業(yè)寶［7］對導管形式和基于空泡性能為目標的減速型導管剖面設計開展了研究。

上述研究針對導管參數(shù)變化帶來的性能變化尚缺少定量的討論、規(guī)律性研究和設計指導。本文旨在通過改變艇尾導管翼剖面傾角與拱度，采用數(shù)值預報方法，分析艇尾壓力分布變化，并對泵噴推進特性具有重要影響的參數(shù)——推力減額、動量影響系數(shù)以及推進器流量進行規(guī)律總結，為泵噴推進器導管設計提供量化建議。

1 研究對象

本文以SUBOFF艇［8］為基礎，將艇尾線型由樣條曲線修改為傾角15°的直線，以便于導管布置，同時刪除附體，以減小附體擾流對規(guī)律分析的影響。

該艇長4.356 m、平行中體直徑0.508 m、濕表面面積6.045 m2。導管翼剖面采用NACA66-0.8，最大厚度比取0.08。

模型尺度特征參數(shù)及定義如下：圖2為導管參數(shù)特征示意圖，D為轉(zhuǎn)子盤面處直徑，取208.3 mm；L為導管翼剖面弦長，取187.5 mm；∠A為導管翼剖面傾角（與艇中心線夾角）；f為導管翼剖面拱度；為相對拱度比，為減速導管，呈外凸型；為加速導管，呈外內(nèi)凹型）。

圖 2 導管參數(shù)特征示意圖

表1列出本文擬研究的導管翼剖面及相對拱度比的變化范圍。

表1 導管翼剖面傾角和相對拱度比取值范圍

翼剖面均在O點處（圖2）旋轉(zhuǎn)形成各型導管，并建立幾何模型見圖3。

圖 3 各研究方案導管剖面幾何

2 數(shù)值計算方法

2.1 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

為減少邊界條件的設定對艇體壓力和速度等物理場的影響，計算域入口邊界距離艇首約2倍艇長，艇尾距離出口約5倍艇長，計算域直徑約20倍艇直徑，如圖4所示。

圖4 計算域及網(wǎng)格分布

采用Star-ccm+軟件特有的蜂窩狀具有六邊形拓撲結構的多面體網(wǎng)格。艇體表面邊界層第一層網(wǎng)格厚度取0.03 mm，采取離開物面時網(wǎng)格逐漸稀疏的網(wǎng)格密度控制方法，面網(wǎng)格增長率取1.2；導管區(qū)加密，第一層網(wǎng)格厚度取0.01 mm，最終形成的網(wǎng)格壁面y+＜5，總網(wǎng)格數(shù)約330萬。

2.2 邊界條件及計算設置

采用速度入口、壓力出口邊界條件，分別取9 m/s、0 Pa，設定參考壓力為1個大氣壓。采用SSTk-ω湍流模型封閉控制方程、分離流求解器。數(shù)值計算過程中，在O點對應盤面處，設置徑向分布相同的虛擬盤，通過虛擬盤模型的螺旋槳體積力法來代替泵噴推進器轉(zhuǎn)子、定子的抽吸作用，以減小導管變化過程中轉(zhuǎn)定子匹配性設計可能帶來的干擾因素，同時大大減小計算量。各方案通過調(diào)試虛擬盤負荷，直至強制力為0，完成自航計算。

2.3 泵噴與艇體相互作用相關參數(shù)

2.3.1 推力減額t

數(shù)值計算獲得水流速度V0= 9 m/s時裸艇體阻力R為653.4 N，其中摩擦阻力為582.7 N，換算至摩擦阻力系數(shù)為2.381×10-3。根據(jù)ITTC1957公式：

表2列出了CFD和ITTC公式計算獲得的摩擦阻力系數(shù)結果對比，偏差為0.4%，此時形狀阻力系數(shù)0.29×10-3，在合理范圍內(nèi)，驗證了計算方法和數(shù)據(jù)的有效性。

表2 摩擦阻力系數(shù)CFD與經(jīng)驗計算結果比較

通過自航計算獲得泵噴推進器推力T：

式中：TDuct、THub、Tp分別為導管、輪轂和虛擬盤上的力，N。導管、輪轂和虛擬位置分布參見圖5。

圖 5 導管、輪轂和虛擬盤位置分布

2.3.2 動量影響系數(shù)Cm

參考ITTC關于噴水推進的相關定義，在此取導管入口前一倍D位置1A處至噴口為控制體。泵噴推力T可寫為式（4）：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；Q為受虛擬盤抽吸作用進入導管內(nèi)流體的流量，m3/s；Vj為噴速，m/s；V0為船速，m/s；ΔT為導管外表面受到的力，N；Cm為動量影響系數(shù)［9］，是影響推力和推進效率的重要參數(shù)，定義為：

根據(jù)流量守恒，噴口處流量Q與1A處獲流區(qū)流量相等。因艇尾無其他附體干擾，認為1A處獲流區(qū)為圓環(huán)型，即可確定獲流區(qū)面積A。

3 導管傾角變化對泵噴與艇體相互作用影響的分析

按表1所列導管傾角變化范圍形成方案，分別完成 CFD 計算，按式（2）、（3）、（5）、（6）開展后處理，相關結果見表3。

根據(jù)表3以及圖6 至圖8分析，隨著導管翼剖面傾角增大，導管前緣駐點由外表面逐步向內(nèi)表面移動，導管上的力由推力變化為阻力，轉(zhuǎn)定子負荷單調(diào)遞增；隨著傾角增大，t單調(diào)下降，主要原因是泵噴獲流區(qū)水速下降、壓力升高，致使艇體阻力下降，相同航速下需要的泵噴推力T相應下降；隨著傾角增大，Cm單調(diào)下降，說明吸入邊界層相對于吸入流量的占比下降了；隨著傾角增大，Q先減小，在15°附近形成拐點，再增大。

另外，從圖 7、圖 8 中（d）、（e）、（f）流線和渦量圖分析，16°傾角導管前緣外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著傾角的增大，脫流加劇。

表3 導管傾角變化對推進相關參數(shù)的影響

根據(jù)上述分析，工程設計中導管傾角可取10°～16°。傾角大時，t、Cm小，對快速性有利，但轉(zhuǎn)定子負荷偏重，設計難度大；傾角小時，導管對推力產(chǎn)生貢獻，轉(zhuǎn)定子負荷輕，有利于空泡和噪聲控制；多項性能需綜合權衡考慮時，取14°～15°為宜。

圖 6 Q、t、Cm隨傾角的變化

圖 7 各傾角下導管區(qū)流線及壓力云圖

圖 8 各傾角下導管區(qū)渦量圖

4 導管拱度變化對泵噴與艇體相互作用影響的分析

按表1所列導管在14°傾角下拱度變化范圍形成方案，分別完成 CFD 計算，按式（2）、（3）、（5）、（6）進行后處理，相關結果見表4。

根據(jù)表4以及圖9至圖11分析，對于減速型導管，隨著導管翼剖面拱度比增大，導管上產(chǎn)生的阻力逐步增大；泵噴獲流區(qū)水速下降、壓力升高，艇體阻力下降，且阻力下降幅度大于導管阻力增加值，即相同航速下需要的泵噴推力T下降，t下降；但t相對平緩，說明t之于拱度變化不如傾角敏感；隨著拱度比增大，Cm、Q均單調(diào)下降。對于加速型導管，隨著拱度比增大，上述規(guī)律相反。

另外，從圖10與圖11中（a）、（b）流線和渦量圖分析，時，導管導邊外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著拱度增大，脫流加劇。從圖10、圖11中（h）、（i）、（j）流線和渦量圖分析，+0.04時，導管隨邊外表面開始出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，隨著拱度增大，脫流加劇，數(shù)值計算過程中力震蕩加大也驗證了上述現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，工程設計中導管14°傾角時拱度比可取-0.02～0.04。減速型導管，拱度大則t和Cm小，對快速性有利，但轉(zhuǎn)定子負荷偏重，設計難度大；加速型導管，導管對推力貢獻大，轉(zhuǎn)定子負荷輕，有利于空泡和噪聲控制，但t和Cm大則對快速性不利。

表4 導管拱度變化對推進相關參數(shù)的影響

圖 9 Q、t、Cm隨拱度比的變化

圖 10 各拱度比下導管區(qū)流線及壓力云圖

圖 11 各拱度比下導管區(qū)渦量圖

5 結 語

本文為研究導管翼剖面形式對泵噴與艇體相互作用的影響，以SUBOFF模型艇回轉(zhuǎn)體為基礎，分別配置以傾角和拱度比為變量的導管，通過CFD模擬，分析傾角與拱度變化對推力減額、動量影響系數(shù)及流量的影響，在本文研究的參數(shù)變化范圍內(nèi)，獲得以下結論：

（1）隨著導管翼剖面傾角增大，推力減額、動量影響系數(shù)減小，推進器流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

（2）隨著導管翼剖面拱度比增大，對于減速型導管，推力減額、動量影響系數(shù)和推進器流量均單調(diào)下降，轉(zhuǎn)定子負荷上升；對于加速型導管，則反之。即減速型導管并不意味著會犧牲推進效率、提升空泡性能，加速型導管也未必推進效率高，空泡惡化，這與常規(guī)分析的結論不同。

（3）推力減額之于拱度變化不如傾角敏感。

（4）在工程設計實踐中，從推進、空泡和噪聲性能綜合權衡的角度出發(fā)，導管翼剖面傾角宜取14°～15°，拱度比推薦取值范圍為 -0.02～0.04。