李福正, 黃橋高, 潘光, 李晗

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072)

泵噴推進(jìn)器(pumpjet簡(jiǎn)稱泵噴)是近年發(fā)展的多種新型推進(jìn)器之一，與噴水推進(jìn)器和軸流泵相似，包含靜止導(dǎo)葉(定子)和旋轉(zhuǎn)槳葉(轉(zhuǎn)子)，以及由定子固定的剖面為機(jī)翼的環(huán)轉(zhuǎn)導(dǎo)管，具有推進(jìn)效率高、抗空化能力強(qiáng)、輻射噪聲低等特殊優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于軍事方面，如魚(yú)雷和潛艇。除軍用外，類似泵噴結(jié)構(gòu)在民用方面(如GE集團(tuán)和ABB集團(tuán)研發(fā)的吊艙推進(jìn)器)也漸顯端倪[1]。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，根據(jù)定子相對(duì)轉(zhuǎn)子的周向位置不同，主要有前置定子和后置定子泵噴2類[2],不同于后置定子回收轉(zhuǎn)子周向尾流損失，前置定子主要用于為轉(zhuǎn)子提供預(yù)旋作用，而潛艇因其特殊要求一般采用前置定子泵噴。

目前泵噴水動(dòng)力性能主要研究方法包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值方法相對(duì)效率高，是泵噴設(shè)計(jì)階段和校核階段普遍采用的方法，最早開(kāi)展數(shù)值模擬方法可追溯至20世紀(jì)60年代，Mccormick等[3]通過(guò)對(duì)后置定子式泵噴和傳統(tǒng)螺旋槳的環(huán)量分析和實(shí)驗(yàn)比較，得出了前者在效率和空化性能上都優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槳。其后Kerwin等[4]1994年基于勢(shì)流理論黏性修正的方法對(duì)包含有定子的導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行了研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，利用諸如FLUENT、CFX、STAR-CCM等商業(yè)軟件求解N-S方程進(jìn)行泵噴性能預(yù)報(bào)[5-8]已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，但也不乏采用基于勢(shì)流理論的快速預(yù)報(bào)方法的學(xué)者[9-11]。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于其特殊應(yīng)用，目前公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)不多，比較知名的如Suryanarayana等[12]對(duì)裝有后置泵噴的水下航行器(axisymmetric underwater vehicle)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)ITTC提供的外推方法得到了泵噴水下性能，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求后，隨后進(jìn)行了空泡水筒實(shí)驗(yàn)[13]，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了泵噴水下性能。Shirazi等[14]同樣對(duì)加裝有泵噴的全尺度水下航行器在拖拽水池中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，預(yù)報(bào)分析了系泊力、自航點(diǎn)和殼體阻力。Yu等[15]通過(guò)空化水筒的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前置泵噴計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

在實(shí)驗(yàn)研究中，不可避免需要進(jìn)行相似理論性的研究，其中雷諾數(shù)作為相似性條件之一，工況(即轉(zhuǎn)速和進(jìn)速)的改變是其決定性因素，此外，泵噴不同于傳統(tǒng)螺旋槳，存在轉(zhuǎn)子、定子、導(dǎo)管之間的相互作用，對(duì)于其推進(jìn)性能系數(shù)是否仍能嚴(yán)格符合相似性定律，或其差異多大仍未有公開(kāi)文獻(xiàn)討論，因此本文旨在通過(guò)商業(yè)軟件Ansys/CFX采用數(shù)值模擬的方法探究前置泵噴在多轉(zhuǎn)速工況下的性能及流場(chǎng)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供數(shù)值參考。

1 數(shù)值模型

1.1 計(jì)算模型

本文采用的泵噴由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(中船第708所)提供，其原始幾何模型如圖1所示，定子和轉(zhuǎn)子葉片隨邊為鈍邊，葉根部分別有2 mm和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，取消葉根倒圓，并將葉片隨邊處理為圓角。改型后的泵噴如圖1所示，其中定子和轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目為6和8，轉(zhuǎn)子的直徑Dr為166.4 mm,間隙為1 mm,大約為0.6Dr,轂徑比為0.3,投影盤(pán)面比為0.8。轉(zhuǎn)子各半徑處螺距比(P/D)如表1所示。

圖1 前置泵噴外觀

表1 轉(zhuǎn)子各半徑處螺距比

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)如表2所示。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分別表示定子進(jìn)口和出口直徑,H為定子葉高,表示葉片軸向長(zhǎng)度。Dd1和Dd2分別表示導(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2 泵噴模型幾何參數(shù)

表2 定子和導(dǎo)管參數(shù)

1.2 控制方程

采用基于雷諾平均的N-S控制方程

1.3 計(jì)算域劃分

將求解區(qū)域劃劃分為內(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)算成本及后處理的方便性,計(jì)算域全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖3和圖4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。進(jìn)口和出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口和壓力出口。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

圖3 計(jì)算域及邊界條件 圖4內(nèi)流域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

(3)

計(jì)算得到y(tǒng)+為1時(shí),壁面第一層網(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=2×10-6m,保證壁面處有足夠密的附面層網(wǎng)格。

考慮到本文計(jì)算模型為均勻進(jìn)流條件,因此內(nèi)流場(chǎng)和外流場(chǎng)將分別采用單流道和全流道進(jìn)行計(jì)算,將周向外圍邊界設(shè)置為周期性邊界條件,由于轉(zhuǎn)子相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn),考慮到轉(zhuǎn)定之間相互影響,故在外流域、轉(zhuǎn)子域和定子域相重合的邊界全部設(shè)置為interface/frozen rotor的邊界條件。

1.4 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)及敞水效率可分別按下式計(jì)算

式中:Tr,Ts,Td,Qs,Qs分別為槳葉推力、導(dǎo)葉推力、導(dǎo)管推力、槳葉扭矩、導(dǎo)葉扭矩,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)確信,對(duì)不同數(shù)目網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,表3所示為3種不同內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格數(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:259萬(wàn)。

表3 不同數(shù)目網(wǎng)格

圖5所示為泵噴在n=20 r/s水動(dòng)力性能曲線,圖5a)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)[16]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)比細(xì)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)的提高逐步呈非線性增加,在進(jìn)速系數(shù)為1.2時(shí)候誤差最大,推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的誤差分別達(dá)到10%和8%。由于過(guò)高的進(jìn)速系數(shù)為非設(shè)計(jì)工況,因此這部分誤差可以忽略。此外,雖然網(wǎng)格的細(xì)化并不會(huì)對(duì)性能結(jié)果造成過(guò)大影響,但是為保證流場(chǎng)結(jié)果計(jì)算更加精確,本文采用細(xì)網(wǎng)格作進(jìn)一步研究。圖5b)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。在J=0.8和1時(shí),η0分別為0.59和0.58,結(jié)合曲線得知,最高效率點(diǎn)應(yīng)在0.8和1.0之間。本文后續(xù)將以J=0.8為主要分析工況。圖5c)所示為槳葉扭矩系數(shù)和定子扭矩系數(shù)相對(duì)值,其計(jì)算方式為ΔKQ=100×(KQr-KQs)/KQs,可以看到在較低進(jìn)速系數(shù)(J=0.2～0.6)時(shí)槳葉扭矩大于定子扭矩,隨著進(jìn)速系數(shù)增大,槳葉扭矩相對(duì)定子下降,其相對(duì)值逐漸減小,當(dāng)槳葉扭矩下降到小于定子扭矩時(shí),其相對(duì)值隨扭矩系數(shù)的增加而逐步增大,對(duì)比圖5b)可以看出在J為0.7時(shí),扭矩達(dá)到平衡,此時(shí)艇體不受艇后泵噴扭矩影響而產(chǎn)生橫傾。

圖5 泵噴水動(dòng)力系數(shù)曲線

圖6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?？傮w來(lái)看,滿足后續(xù)分析的精度要求。

圖6 壁面y+分布云圖(從左到右:槳葉、導(dǎo)葉、導(dǎo)管)

2 計(jì)算工況

2.1 葉元體受力分析

根據(jù)螺旋槳相似定律,要保證相同雷諾數(shù)和進(jìn)速系數(shù),就要求槳模有足夠大的轉(zhuǎn)速,并提供足夠大的推力,由于現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn),因此實(shí)驗(yàn)中一般只要滿足Re>3×105, 此時(shí)有KT=f1(J),KQ=f2(J),即推力系數(shù)和扭矩系數(shù)僅與進(jìn)速系數(shù)有關(guān)。圖7所示為槳葉剖面處翼型速度三角形圖,而葉片可以看作是由無(wú)數(shù)個(gè)葉元體組成,螺旋槳理論中由軸向進(jìn)速VA和周向速度Vc組成的合速度V為葉元體的來(lái)流速度,其中Vc=2πrn,r為葉元體所在半徑,槳葉所受推力和扭矩由無(wú)數(shù)個(gè)半徑處的葉元體所構(gòu)成。圖7中三角形橫邊和垂值邊分別三等分,構(gòu)成了3組等比例增大的速度分別以下標(biāo)“1”,“2”,“3”表示,在槳葉直徑固定不變的情況下,軸向和周向速度等比例增大滿足進(jìn)速系數(shù)J相同,而此時(shí)葉元體的合速度雖然也按相同比例增大,但其與葉元體作用的攻角仍相同。同樣,在進(jìn)速系數(shù)相等的情況下,導(dǎo)葉和導(dǎo)管剖面翼型也將由于速度等比增大而造成推力變化,根據(jù)二維翼型理論,其性能系數(shù)是不發(fā)生改變的,因此從理論上導(dǎo)葉、槳葉、導(dǎo)管各部分應(yīng)滿足相似性定律。但是,各部件之間相互作用復(fù)雜,流場(chǎng)的速度分布并不能完全按照理論所想,一方面,在不同工況(轉(zhuǎn)速)相同進(jìn)速系數(shù)時(shí),流體流經(jīng)定子后速度分布是否相似,攻角是否相同不能確定;另一方面,導(dǎo)葉和槳葉周圍流場(chǎng)存在徑向運(yùn)動(dòng),加之導(dǎo)葉安裝在錐形平面上,勢(shì)必造成流經(jīng)定子后過(guò)多的徑向運(yùn)動(dòng),流體并不能完全按照二維葉元體所假設(shè)流動(dòng)。因此需要對(duì)泵噴在不同轉(zhuǎn)速工況的性能及流場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

圖7 槳葉剖面翼型速度三角形

2.2 工況設(shè)置

本文設(shè)置了4組實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速,即n為20,30,40,50 r/s,其對(duì)應(yīng)的進(jìn)速VA和雷諾數(shù)Re分別如表4所示,其中泵噴雷諾數(shù)按照傳統(tǒng)螺旋槳方式進(jìn)行計(jì)算,即以槳葉0.75半徑處翼型弦線長(zhǎng)為特征長(zhǎng),以其所在位置進(jìn)流速度為特征速度。本文研究的所有工況均滿足Re>3×105, 后續(xù)將分析相同進(jìn)速系數(shù)下各性能系數(shù)之間的相對(duì)偏差。

表4 計(jì)算工況設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 性能曲線

圖8a)和8b)所示為泵噴推進(jìn)器不同轉(zhuǎn)速時(shí)各部件及推力和扭矩系數(shù)曲線,圖8c)為泵噴在進(jìn)速系數(shù)J=0.8時(shí)轉(zhuǎn)速為30,40,50時(shí),各性能系數(shù)相對(duì)20 r/s時(shí)的偏差。觀察圖8a)和圖8b)可以發(fā)現(xiàn),各性能系數(shù)均表現(xiàn)出一定的相似性。但存有一定差異。在設(shè)計(jì)工況(J=0.2～0.8)范圍內(nèi),槳葉推力的相對(duì)偏差最小,不超過(guò)1%,其次是導(dǎo)葉推力偏差,在J為0.8,轉(zhuǎn)速為50 r/s時(shí)達(dá)到最大為2.1%。而導(dǎo)管推力偏差最大,在J為0.2和0.4時(shí)最大偏差僅為6%,當(dāng)J為0.6時(shí)最大達(dá)到30%,這可能是由于導(dǎo)管推力絕對(duì)值在這一工況最小,而細(xì)微的變化也會(huì)引起較大的偏差。由于導(dǎo)管和導(dǎo)葉推力相對(duì)做功的槳葉推力較小,對(duì)KT并未構(gòu)成實(shí)質(zhì)性影響,最終KT偏差不超過(guò)2%。而對(duì)于扭矩系數(shù),可以看出J較低時(shí),不同轉(zhuǎn)速KQr偏差相對(duì)較大,尤其是在50 r/s時(shí),相對(duì)20 r/s時(shí)最大偏差為2.7%;而KQs偏差相對(duì)較大,在50 r/s時(shí)偏差達(dá)到3.1%。從量綱角度分析,扭矩是力和長(zhǎng)度的乘積,當(dāng)半徑越大,力的微小改變會(huì)對(duì)其造成較大的影響,因此出現(xiàn)扭矩偏差較大的原因可能是在較大半徑處流場(chǎng)分布存在出入。在非設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)(J=1～1.2),槳葉推力偏差增大不多,最大不超過(guò)1.5%,總推力的偏差增大不少,最高達(dá)到5%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),數(shù)值模擬方法在較大J時(shí)往往對(duì)槳葉及導(dǎo)管推力性能模擬不準(zhǔn)確,因此不作為探討的重點(diǎn)。

觀察圖8c)可以發(fā)現(xiàn)各性能系數(shù)偏差均隨轉(zhuǎn)速呈單調(diào)性變化,綜合來(lái)看,KTr的相對(duì)偏差最小,緊隨其后的是KT和KTs,其次是扭矩系數(shù)KQr和KQs,偏差最大的為KTd,其相對(duì)偏差在50 r/s時(shí)達(dá)到最大14%。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下泵噴性能系數(shù)及偏差

3.2 轉(zhuǎn)定之間流場(chǎng)分布

前一節(jié)對(duì)比了各性能系數(shù)之間的相對(duì)偏差變化規(guī)律,分析各工況下流場(chǎng)及壓力場(chǎng)有助于了解引起其變化規(guī)律的原因。圖9所示為J=0.8時(shí)槳葉和導(dǎo)葉之間流速分布圖,從左到右分別代表20,30,40,50 r/s,從上到下分別為z=-0.07,-0.05,-0.03,-0.02的位置,其中第一個(gè)和最后一個(gè)坐標(biāo)分別代表緊鄰導(dǎo)葉隨邊和緊鄰槳葉導(dǎo)邊的位置。為方便表述,將4個(gè)坐標(biāo)位置分別命名為S1,S2,S3,S4。同時(shí),為便于比較不同轉(zhuǎn)速的速度場(chǎng),位于旋轉(zhuǎn)域位置的速度采用相對(duì)速度,并用進(jìn)速VA進(jìn)行無(wú)量綱化。

圖9 J為0.8時(shí)轉(zhuǎn)定之間流速分布 圖10 J為0.8時(shí)槳葉、導(dǎo)葉、導(dǎo)管外壁壓力分布

對(duì)比同一轉(zhuǎn)速下,不同位置的速度場(chǎng),可以發(fā)現(xiàn)由于槳葉做功的作用,流體從導(dǎo)葉到槳葉逐步加速,而在導(dǎo)葉附近由于隨邊尾跡的影響,有低速帶存在,隨著流場(chǎng)發(fā)展,其作用逐漸減弱,直到靠近槳葉處流體發(fā)生停滯,出現(xiàn)新的低速帶。對(duì)比同一位置不同轉(zhuǎn)速的流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),整體上流場(chǎng)表現(xiàn)出了較高的相似度,在局部區(qū)域存有區(qū)別,如S1位置在低速帶左側(cè)靠近葉頂位置,“O型速度”明顯從20～50 r/s有減弱現(xiàn)象,并在50 r/s時(shí)消失。而在低速帶右側(cè)靠近葉頂位置,“C型速度”從20～50 r/s有擴(kuò)大趨勢(shì),其型線在50 r/s時(shí)延伸到葉根位置,說(shuō)明高于這一速度的分布區(qū)域擴(kuò)大。葉頂位置速度差異的現(xiàn)象證明了導(dǎo)葉扭矩偏差較大的原因。在S2位置中,位于中部半徑處的“O型速度”型線隨著轉(zhuǎn)速增大逐漸減小,靠近槳轂位置緊鄰低速帶的“O型速度”也有區(qū)別。在S3位置,由于轉(zhuǎn)定之間的復(fù)雜作用,在半徑較大和較小區(qū)域均有局部區(qū)別。而在S4位置,僅在低速帶左側(cè)有明顯的“O型速度”型線區(qū)別,隨著轉(zhuǎn)速提高,出現(xiàn)型的“O型速度”,并且其分布范圍逐漸擴(kuò)大。

對(duì)比不同轉(zhuǎn)速的槳葉的壓力分布,可以看出在壓力面型線分布在葉頂位置存在微弱區(qū)別,即“O型壓力”分布面積隨轉(zhuǎn)速增大而擴(kuò)大,并且為云圖中的最大壓力,但吸力面并無(wú)明顯區(qū)別,葉頂壓力的微弱變化不會(huì)導(dǎo)致推力出現(xiàn)明顯的變化,但其所處位置半徑較大,這是槳葉扭矩系數(shù)偏差較大的原因。對(duì)比導(dǎo)葉壓力分布,其壓力分布區(qū)別主要體現(xiàn)在:壓力面“O型壓力”型線從無(wú)到有并隨著轉(zhuǎn)速增大范圍逐步擴(kuò)大,表明轉(zhuǎn)速的提高會(huì)使導(dǎo)葉吸力面中心低壓區(qū)范圍擴(kuò)大。此外,對(duì)比導(dǎo)管外壁的壓力分布發(fā)現(xiàn)其并無(wú)明顯區(qū)別,說(shuō)明導(dǎo)管壓力偏差大的另一個(gè)主要原因可能是內(nèi)壁壓力受轉(zhuǎn)子和定子復(fù)雜作用影響導(dǎo)致壓力分布并相似度低造成。

3.3 槳葉葉梢附近流場(chǎng)

泵噴的間隙流場(chǎng)一直以來(lái)是眾多學(xué)者的關(guān)注點(diǎn),國(guó)內(nèi)外的公開(kāi)文獻(xiàn)表明,泵噴性能與轉(zhuǎn)子葉梢間隙的流場(chǎng)直接相關(guān),本節(jié)主要對(duì)葉梢附近及間隙的壓力、速度、渦量進(jìn)行分析。圖11所示為槳葉不同弦長(zhǎng)處渦量云圖和壓力云圖,從左到右分別代表20,30,40,50 r/s。由于渦量是速度的旋度,本文中泵噴尺度不變,因此僅將速度除以進(jìn)口流速后再求渦量,最終的量綱為m-1。而壓力仍采用無(wú)量綱化的壓力系數(shù)進(jìn)行分析。

觀察圖11可發(fā)現(xiàn)槳葉兩側(cè)均發(fā)展出渦量較大的葉梢泄露渦(TLV),其位置對(duì)應(yīng)圖11b)中葉梢附近局部低壓區(qū),在距槳葉導(dǎo)邊為20%弦長(zhǎng)附近為T(mén)LV初發(fā)階段,隨著弦長(zhǎng)增大其渦量逐步增大,對(duì)應(yīng)的渦核壓力逐步減小。對(duì)比圖9中不同轉(zhuǎn)速下TLV的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以發(fā)現(xiàn)在較低弦長(zhǎng)處,20和30 r/s相對(duì)40 r/s,50 r/s的軌跡明顯偏向葉片壓力面,并且這種趨勢(shì)隨轉(zhuǎn)速提高而增強(qiáng);而在較高弦長(zhǎng)處,TLV的渦核中心位置并無(wú)明顯區(qū)別,表明轉(zhuǎn)速提高使TLV的初發(fā)位置向壓力面一側(cè)偏移。整體來(lái)看,槳葉靠近葉梢位置渦量和壓力云圖有較高的相似度,但是渦核壓力隨轉(zhuǎn)速的提高有降低趨勢(shì)。

圖11 J為0.8時(shí)槳葉不同弦長(zhǎng)位置云圖 圖12 J為0.8時(shí)葉梢間隙處渦量、壓力、速度云圖

圖12所示為葉梢間隙中間面的渦量、壓力、速度分布云圖,從左到右分別代表20,30,40,50 r/s。為便于對(duì)比,將葉梢邊線用虛線標(biāo)出,上面為壓力面,下面為吸力面,流線的分布如第一幅圖所示,流體自左向右流過(guò),不難發(fā)現(xiàn),間隙處由于槳葉的運(yùn)動(dòng)和葉片兩側(cè)壓差較大的原因而發(fā)展出葉梢泄露流(TLF),在靠近葉片尾緣位置仍有渦量較大的TLV,說(shuō)明葉梢TLV的發(fā)展從導(dǎo)邊到隨邊范圍逐漸擴(kuò)大,并且TLV的位置TLF流速最高位置相吻合,其渦核壓力最低,這也說(shuō)明TLV和TLF是相互作用的結(jié)果。此外,與導(dǎo)管螺旋槳[17]不同,TLF最大流速位置出現(xiàn)在葉片后緣。對(duì)比不同轉(zhuǎn)速的云圖,除局部地區(qū)如壓力面有微小差別外,整體相似度較高。

4 結(jié) 論

1) 數(shù)值計(jì)算分析了泵噴不同轉(zhuǎn)速的性能,發(fā)現(xiàn)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)有一定相似性;但轉(zhuǎn)速增大引起的雷諾數(shù)變化,進(jìn)而對(duì)各部件推力及扭矩均有微弱的影響,綜合來(lái)看,槳葉推力系數(shù)偏差最小,不超過(guò)1%。其次是導(dǎo)葉的推力系數(shù),最大為2.1%;由于導(dǎo)管在J為0.6時(shí)推力絕對(duì)值最小,導(dǎo)致其偏差敏感,達(dá)到30%;扭矩系數(shù)偏差相對(duì)較大,最大接近3%。由于槳葉推力占比較大,故泵噴總推力偏差不超2%。此外,雷諾數(shù)引起的偏差呈單調(diào)性變化。

2) 分析J為0.8時(shí)不同轉(zhuǎn)速無(wú)量綱化后的流場(chǎng),均有較高的相似度。但轉(zhuǎn)速較高時(shí),槳葉做功明顯增強(qiáng),從而使流經(jīng)導(dǎo)葉的流速有明顯提高,導(dǎo)葉吸力面壓力系數(shù)減小。而槳葉受影響較小,主要在靠近葉梢和隨邊的角落處壓力有明顯的區(qū)別,進(jìn)而導(dǎo)致扭矩系數(shù)偏差較大,但推力系數(shù)幾乎不受影響。對(duì)比葉梢附近的流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)葉梢TLV渦核壓力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速提高而降低,而且TLV的初期運(yùn)動(dòng)軌跡向壓力面偏移。