葉金銘，鄒笑宇，鄭子涵，張 迪

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

潛艇作為國(guó)家戰(zhàn)略性武器裝備，低噪高效的推進(jìn)性能、靈活機(jī)動(dòng)的操縱性能是其戰(zhàn)略意義的重要體現(xiàn)，改善潛艇推進(jìn)性能、操縱性能和聲隱身性能具有重大意義。目前各國(guó)已對(duì)潛艇推進(jìn)器噪聲進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)器盤面處流場(chǎng)的均勻性與推進(jìn)器噪聲密切相關(guān)，而布置于潛艇推進(jìn)器上游的尾舵會(huì)對(duì)槳盤面流場(chǎng)均勻性產(chǎn)生不利影響。矢量推進(jìn)可通過(guò)在不同方向產(chǎn)生推力，使得推力矢量化[1]。從而替代尾舵的作用，很大程度上降低了潛艇推進(jìn)器的噪聲，因此矢量推進(jìn)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

目前水下航行器實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)的方式主要分為螺旋槳式和噴水式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下矢量推進(jìn)器的研究主要集中在矢量推力對(duì)水下航行器操縱性能的影響及應(yīng)用等方面[2]。國(guó)外使用螺旋槳式矢量推進(jìn)器的水下航行器中具有代表性的是美國(guó)藍(lán)鰭機(jī)器人公司生產(chǎn)的Bluefin-12，它是一種二自由度推進(jìn)器，通過(guò)2 個(gè)電機(jī)帶動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)偏航和俯仰操縱[3–4,9]。潘存云等[5–7]分別基于球齒輪和錐齒輪設(shè)計(jì)出了2 款柔性推進(jìn)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)3 個(gè)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳送到螺旋槳軸，可實(shí)現(xiàn)360°全方向偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。除了采用單一推進(jìn)器的方式，還有在水下航行體不同位置不同方向布置多個(gè)推進(jìn)器代替操舵實(shí)現(xiàn)矢量運(yùn)動(dòng)的方式。通過(guò)多個(gè)推進(jìn)器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)水下航行體的前進(jìn)、倒車、懸停等動(dòng)作。這種方式極大提高了水下航行體的操縱性。例如，英國(guó)BAE 公司在2009 年推出的“泰利斯曼”近海無(wú)人潛水器就使用的是多矢量推進(jìn)器[8–9]。除了通過(guò)改變螺旋槳軸向位置實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)的螺旋槳式矢量推進(jìn)器，還有通過(guò)改變出流方向?qū)崿F(xiàn)矢量推進(jìn)的噴水式矢量推進(jìn)器。耿令波等[10]提出一種基于橫向二次射流的水下推力矢量技術(shù)，以二次射流產(chǎn)生的橫向速度影響主流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型證明了該矢量推進(jìn)方式的可行性，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法研究了射流參數(shù)對(duì)主流偏轉(zhuǎn)角度的影響。

但目前所使用的矢量推進(jìn)器無(wú)論是通過(guò)布置多個(gè)推進(jìn)器還是基于附加機(jī)構(gòu)的矢量推進(jìn)器，都會(huì)增加推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)體積，使得推進(jìn)器的效率和噪聲大幅度增加[11]。以往矢量推進(jìn)器的研究忽略了布置于潛艇上的尾舵會(huì)對(duì)槳盤面流場(chǎng)均勻性產(chǎn)生不利影響，從而降低了潛艇的水動(dòng)力性能和隱身性能。

為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種潛艇矢量泵噴推進(jìn)器，以取消尾舵達(dá)到改善槳盤面流場(chǎng)的作用，進(jìn)而降低泵噴推進(jìn)器噪聲。基于常規(guī)的矢量泵噴推進(jìn)器計(jì)算方法對(duì)潛艇矢量泵噴推進(jìn)器推進(jìn)性能和操縱力特性進(jìn)行研究，并將計(jì)算結(jié)果與常規(guī)的泵噴推進(jìn)器對(duì)比，分析其水動(dòng)力性能。

1 研究對(duì)象

以某潛艇為計(jì)算對(duì)象，包括艇體、指揮臺(tái)圍殼、圍殼舵、尾舵、泵噴推進(jìn)器，該潛艇艇長(zhǎng)為7.76 m，航速為6 kn，排水量為3.787 t。潛艇尾舵為十字舵，分為穩(wěn)定翼、方向舵、升降舵3 部分。泵噴推進(jìn)器由導(dǎo)管、定子、轉(zhuǎn)子組成，該泵噴推進(jìn)器定子為13 葉，轉(zhuǎn)子為7 葉，最大葉梢間隙為5 mm，最小葉梢間隙為3.5 mm。本文提出一種矢量泵噴推進(jìn)器，取消了尾舵布置，在上述常規(guī)泵噴推進(jìn)器基礎(chǔ)上，在其導(dǎo)管尾部加裝一個(gè)矢量噴管，軸向長(zhǎng)度為導(dǎo)管長(zhǎng)度LP的2/3。安裝2 種泵噴推進(jìn)器的潛艇模型對(duì)比如圖1 所示。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程和湍流模型

在流體不可壓縮的條件下，流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

式中：ui,uj分別為各速度分量的時(shí)間平均值(i=1, 2, 3,j=1, 2, 3) ；P為 壓 力 的 時(shí) 間 平 均 值； ρ為 流 體 的 密度； μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；gi為重力加速度分量；-ρu′iu′j為雷諾應(yīng)力項(xiàng)。

本文研究的矢量泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能計(jì)算和艇體繞流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題適合使用復(fù)雜湍流的兩方程雷諾應(yīng)力模型，其主要有Standardk-ε湍流模型、Realizablek-ε 湍流模型以及SSTk-ω湍流模型。

其中SSTk-ω 湍流模型由于結(jié)合了k-ε 和k-ω的優(yōu)勢(shì)，適合于近壁面和遠(yuǎn)場(chǎng)的流體流動(dòng)問(wèn)題，其應(yīng)用范圍更廣，計(jì)算精度更高。上述湍流模型推導(dǎo)過(guò)程與具體表達(dá)方程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

2.2 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

對(duì)于泵噴推進(jìn)器+潛艇模型的水動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題，將計(jì)算域分為外域、導(dǎo)管內(nèi)域、轉(zhuǎn)子域3 部分，各部分通過(guò)交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)。其中，外域?yàn)殪o止域；外域形狀選擇圓柱體，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口；到艇體前端距離為1L；出口邊界條件為壓力出口；距離艇體尾端為2L；側(cè)面選擇對(duì)稱面；直徑為2L。其中L為艇長(zhǎng)，外域內(nèi)邊界為潛艇模型表面，采用無(wú)滑移壁面條件，如圖2 所示。為減少交界面?zhèn)€數(shù)，將導(dǎo)管表面分為內(nèi)外兩部分，導(dǎo)管外壁劃分到外域，作為外域內(nèi)邊界的一部分，導(dǎo)管內(nèi)表面和導(dǎo)管進(jìn)出口形成的類圓臺(tái)區(qū)域作為導(dǎo)管內(nèi)域的外邊界，如圖3 所示。

圖2 外域設(shè)置Fig.2 Outer domain settings

圖3 導(dǎo)管內(nèi)域和轉(zhuǎn)子域劃分Fig.3 Division of inner domain and rotor domain

計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行劃分。由于本文選擇的潛艇模型外形復(fù)雜，尾十字舵穩(wěn)定翼與轉(zhuǎn)動(dòng)舵之間間隙過(guò)小，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分難度較大，故外域使用STAR CCM+非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格，艇體近壁面采用棱柱層網(wǎng)格模擬邊界層流體流動(dòng)。本文所用模型存在指揮臺(tái)圍殼、圍殼舵及尾舵多個(gè)附體，對(duì)這些附體附近區(qū)域使用加密塊進(jìn)行加密，捕捉由附體引起的流場(chǎng)變化，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子前流場(chǎng)符合實(shí)際情況，提高計(jì)算精度。導(dǎo)管內(nèi)域和轉(zhuǎn)子域流場(chǎng)變化復(fù)雜，精確預(yù)報(bào)泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能對(duì)網(wǎng)格要求較高，故選擇使用ICEM 網(wǎng)格劃分軟件生成與形狀匹配度高的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。導(dǎo)管內(nèi)域和轉(zhuǎn)子域都是回轉(zhuǎn)體并且存在周向重復(fù)，可先對(duì)導(dǎo)管域和定子域進(jìn)行分割，通過(guò)分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法建立單通道網(wǎng)格，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)得到全通道網(wǎng)格，節(jié)約了網(wǎng)格劃分的時(shí)間。由于噴管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且在后續(xù)計(jì)算中需改變噴管出口方向和幾何形狀，為便于操作節(jié)約時(shí)間，故將尾管劃分到外域中，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型快速生成外網(wǎng)格，導(dǎo)管內(nèi)域及轉(zhuǎn)子域各部分結(jié)構(gòu)形狀均未改變，故網(wǎng)格劃分與常規(guī)泵噴推進(jìn)器相同。具體網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh division

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格疏密程度對(duì)于數(shù)值計(jì)算結(jié)果有一定影響，網(wǎng)格越密，計(jì)算結(jié)果越精確，但對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求越高。因此需對(duì)計(jì)算所用網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在保證計(jì)算精度的情況下選擇合適的網(wǎng)格密度進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)改變基礎(chǔ)尺寸和節(jié)點(diǎn)數(shù)量改變非結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格疏密程度，形成了3 套不同密度的網(wǎng)格，分別運(yùn)用3 套網(wǎng)格計(jì)算常規(guī)泵噴推進(jìn)器+潛艇模型水動(dòng)力性能。網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 不同網(wǎng)格密度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of calculation results with different mesh densities

以最大網(wǎng)格數(shù)G3 為參照，比較不同網(wǎng)格密度下艇體阻力及轉(zhuǎn)子推力的相對(duì)值，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果差別不大，艇體阻力相對(duì)值最大為0.25%，轉(zhuǎn)子推力相對(duì)值最大為2.12%。考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，G2 網(wǎng)格已滿足計(jì)算要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 尾舵對(duì)轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)均勻性的影響

一般泵噴推進(jìn)器處于尾舵后端，舵的存在會(huì)加劇轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)的紊亂程度。故需對(duì)泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)均勻性進(jìn)行研究，探究尾舵對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響。針對(duì)無(wú)轉(zhuǎn)子狀態(tài)下有舵、無(wú)舵2 個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)應(yīng)A 模型和B 模型。

坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，遵循右手定則，以潛艇首部頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸正方向指向潛艇前進(jìn)方向，y軸正方向指向艇體左舷，z軸以垂直向上為正。

計(jì)算得到轉(zhuǎn)子盤面軸向速度和周向速度分布，如圖5 和圖6 所示。對(duì)比圖中不同模型軸向速度、周向速度分布，可看出無(wú)舵情況下轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)更均勻，這證明了尾舵對(duì)泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)有不利影響。對(duì)于無(wú)舵模型轉(zhuǎn)子盤面軸向速度和周向速度都存在一定的周期性，是由于流體流過(guò)定子時(shí)流體黏性影響使定子近壁面速度降低導(dǎo)致速度周期性變化；在轉(zhuǎn)子盤面上半部分速度分布相對(duì)下半部分更加不均勻，這主要是指揮臺(tái)圍殼尾流向下游流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)均勻性的影響。

圖5 不同模型轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)軸向速度分布云圖Fig.5 Axial velocity distribution cloud charts of rotor disk flow field in different models

圖6 不同模型轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)周向速度分布云圖Fig.6 Circumferential velocity distribution cloud charts of rotor disk flow field in different models

為定量分析不同模型轉(zhuǎn)子盤面處流場(chǎng)分布情況，對(duì)0.4R、0.6R、0.8R處速度分布情況進(jìn)行研究，其中R為螺旋槳半徑，對(duì)速度進(jìn)行無(wú)因次化Va/U0、Vt/U0，Va為 軸向速度，Vt為周向速度，U0為進(jìn)口速度，如圖7和圖8 所示。圖中角度以潛艇左舷為0°，從艇尾向艇首看順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°?？梢钥闯鰺o(wú)論是軸向速度還是周向速度無(wú)舵模型的速度分布曲線都較有舵模型波動(dòng)程度低，說(shuō)明了尾舵的存在加劇了轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)的不均勻性。

圖7 不同模型轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distribution of rotor disk flow field in different models

圖8 不同模型轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)周向速度分布Fig.8 Circumferential velocity distribution of rotor disk flow field in different models

3.2 矢量泵噴推進(jìn)器對(duì)潛艇推進(jìn)效率的影響

首先對(duì)無(wú)推進(jìn)器潛艇模型水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，得到艇體阻力RS= 448.47 N，RS由裸艇體、指揮臺(tái)圍殼和圍殼舵3 部分組成，不包括尾舵的阻力。

對(duì)潛艇分別安裝常規(guī)泵噴推進(jìn)器和矢量泵噴推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，先對(duì)模型進(jìn)行定常計(jì)算，然后在定常計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上更換非定常計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，采用此方法的優(yōu)點(diǎn)在于定常計(jì)算穩(wěn)定結(jié)果作為非定常計(jì)算初始狀態(tài)可加快計(jì)算收斂速度，節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本。在非定常計(jì)算階段對(duì)轉(zhuǎn)子域采用滑移網(wǎng)格模擬轉(zhuǎn)子繞軸旋轉(zhuǎn)，為保證計(jì)算精度，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為每個(gè)時(shí)間步內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)2°。

通過(guò)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使?jié)撏?泵噴推進(jìn)器整體合力為0，得到常規(guī)泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)速為720 r/min，矢量泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)速為712.56 r/min。矢量泵噴推進(jìn)器+潛艇模型相對(duì)常規(guī)泵噴推進(jìn)器+潛艇模型來(lái)說(shuō)，在泵噴推進(jìn)器上游不再布置尾舵，故整個(gè)系統(tǒng)阻力減小，轉(zhuǎn)子需提供的推力也相應(yīng)減小，轉(zhuǎn)速相對(duì)降低就可保證合力為0。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到2 種泵噴推進(jìn)器+潛艇模型各部分沿x軸方向力的大小，結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯? 種泵噴推進(jìn)器+潛艇模型在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下合力基本為0，可認(rèn)為2 種模型基本達(dá)到平衡狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比2 種泵噴推進(jìn)器+潛艇模型各部分產(chǎn)生軸向力大小，發(fā)現(xiàn)尾舵或者尾管均產(chǎn)生阻力，但尾舵阻力明顯高于尾管。

表2 兩種泵噴推進(jìn)器+潛艇模型水動(dòng)力數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of hydrodynamic data of two pump-jet propulsion + submarine models

推進(jìn)效率作為衡量泵噴推進(jìn)器推進(jìn)性能的重要指標(biāo)，對(duì)比了2 種泵噴推進(jìn)器的水動(dòng)力參數(shù)，如表3 所示，計(jì)算公式為：

表3 2 種泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力參數(shù)Tab.3 Hydrodynamic parameters of two kinds of pump-jet propulsion

式中：RS為無(wú)推進(jìn)器潛艇模型艇體阻力，由于矢量泵噴推進(jìn)器系統(tǒng)中矢量噴管為推進(jìn)器的一部分，而常規(guī)泵噴推進(jìn)器+潛艇模型中尾舵與矢量噴管作用相同，為保持一致，在計(jì)算艇體阻力時(shí)并不包括尾舵阻力，而將尾舵看作推進(jìn)器的一部分。VS為 潛艇航速；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；QR為 轉(zhuǎn)子扭矩；PE為有效功率；PD為收到功率； ηD為推進(jìn)效率。

從表3 可看出，常規(guī)泵噴推進(jìn)器收到功率為2.748 kW，矢量泵噴推進(jìn)器收到功率為2.292 kW，比常規(guī)泵噴推進(jìn)器降低了16.6%，可認(rèn)為推進(jìn)效率提高了19.9%。通過(guò)對(duì)2 種泵噴推進(jìn)器推進(jìn)效率的比較，充分說(shuō)明了在相同航速下，潛艇采用矢量泵噴推進(jìn)器可以提高推進(jìn)效率。這主要是因?yàn)槭噶勘脟娡七M(jìn)器+潛艇模型相對(duì)常規(guī)泵噴推進(jìn)器+潛艇模型取消了尾舵的布置，整個(gè)系統(tǒng)阻力減小，泵噴推進(jìn)器收到功率降低，推進(jìn)效率提高。

3.3 矢量泵噴推進(jìn)器的操縱性能

由于矢量泵噴推進(jìn)器通過(guò)矢量噴管的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了推力的矢量化，可提供潛艇改變航向所需的橫向力及力矩，從而取代了常規(guī)泵噴推進(jìn)器+潛艇整體模型中的尾舵，故需對(duì)矢量泵噴推進(jìn)器的操縱力特性進(jìn)行研究，并與尾舵進(jìn)行對(duì)比，衡量潛艇使用矢量泵噴推進(jìn)器代替尾舵對(duì)航行機(jī)動(dòng)性的影響。

對(duì)不同矢量噴管偏轉(zhuǎn)角度的矢量泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同偏轉(zhuǎn)角度與矢量噴管+導(dǎo)管產(chǎn)生橫向力之間的關(guān)系，并與尾舵產(chǎn)生橫向力進(jìn)行比較，得到了兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3.1 計(jì)算模型

矢量泵噴推進(jìn)器是以常規(guī)泵噴推進(jìn)器為基礎(chǔ)在其尾部加裝一個(gè)矢量噴管，矢量噴管軸向長(zhǎng)度初步選擇為導(dǎo)管長(zhǎng)度的2/3，以導(dǎo)管尾端面為基礎(chǔ)平面，以中軸線為母線拉伸，得到矢量噴管幾何模型。通過(guò)改變矢量噴管母線偏轉(zhuǎn)角度控制矢量噴管的偏轉(zhuǎn)角度，如圖9 所示， θ為偏轉(zhuǎn)角。由于矢量噴管向左舷或者右舷偏轉(zhuǎn)相同角度產(chǎn)生橫向力相同，故只需計(jì)算偏轉(zhuǎn)一個(gè)方向即可，本文選擇向潛艇左舷偏轉(zhuǎn)進(jìn)行研究。由于潛艇一般操舵角度為 ±30?，所以選擇在0°～ 30°范圍內(nèi)每隔5°取一個(gè)偏轉(zhuǎn)角建模，形成了0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°七個(gè)導(dǎo)管+矢量噴管模型。

圖9 矢量噴管偏轉(zhuǎn)示意圖Fig.9 Deflection diagram of vector pump-jet propulsion

3.3.2 2 種泵噴推進(jìn)器橫向力及偏轉(zhuǎn)力矩對(duì)比

為比較潛艇采用不同泵噴推進(jìn)器對(duì)潛艇航行機(jī)動(dòng)性的影響，對(duì)尾舵和矢量噴管操縱力進(jìn)行比較。由于矢量泵噴推進(jìn)器中導(dǎo)管和矢量噴管為整體模型，計(jì)算橫向力時(shí)為兩部分合力，為控制變量。在計(jì)算尾舵橫向力時(shí)需考慮常規(guī)泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管產(chǎn)生的橫向力。

圖10 和圖11 分別為尾舵+導(dǎo)管橫向力及偏轉(zhuǎn)力矩和矢量噴管+導(dǎo)管橫向力及偏轉(zhuǎn)力矩隨偏轉(zhuǎn)角度的變化曲線?？煽闯觯?°～30°操舵舵角范圍內(nèi)，常規(guī)泵噴推進(jìn)器+尾舵產(chǎn)生的橫向力和偏轉(zhuǎn)力矩隨著尾舵偏轉(zhuǎn)角度的增加先增大后減小。在偏轉(zhuǎn)角度為25°時(shí)達(dá)到最大值，偏轉(zhuǎn)角度繼續(xù)增大后橫向力和偏轉(zhuǎn)力矩急劇降低，出現(xiàn)失速現(xiàn)象。而矢量泵噴推進(jìn)器產(chǎn)生的橫向力和偏轉(zhuǎn)力矩隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加而增大，沒(méi)有出現(xiàn)失速現(xiàn)象。

圖10 不同泵噴推進(jìn)器橫向力曲線Fig.10 Transverse force curves of different pump-jet thrusters

圖11 不同泵噴推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)力矩曲線Fig.11 Deflection moment curves of different pump-jet thrusters

在0°～30°操舵舵角范圍內(nèi)，矢量推進(jìn)器的最大橫向力與尾舵+導(dǎo)管相當(dāng)，但最大偏轉(zhuǎn)力矩大于常規(guī)泵噴推進(jìn)器+尾舵的偏轉(zhuǎn)力矩；在相同的操舵角度下，矢量泵噴推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)力矩均大于常規(guī)泵噴推進(jìn)器，說(shuō)明矢量泵噴推進(jìn)器具有良好的航行機(jī)動(dòng)性；在偏轉(zhuǎn)力矩相同情況下，矢量泵噴推進(jìn)器矢量噴管偏轉(zhuǎn)小于常規(guī)泵噴推進(jìn)器尾舵舵角。

通過(guò)圖11 可大致推算出，產(chǎn)生相同的橫向力時(shí)，常規(guī)泵噴推進(jìn)器尾舵偏轉(zhuǎn)5°、10°分別對(duì)應(yīng)矢量泵噴推進(jìn)器矢量噴管偏轉(zhuǎn)2.8°、7.16°，為比較推進(jìn)器產(chǎn)生等大橫向力時(shí)的偏轉(zhuǎn)力矩，對(duì)偏轉(zhuǎn)角度2.8°、7.16°的矢量泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，并與常規(guī)泵噴推進(jìn)器尾舵+導(dǎo)管產(chǎn)生橫向力比較，計(jì)算結(jié)果如表4所示?？芍?，在2 種泵噴推進(jìn)器橫向力基本相同時(shí)，矢量泵噴推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)力矩大于常規(guī)泵噴推進(jìn)器，矢量噴管偏轉(zhuǎn)角度比尾舵小，有利于降低泵噴推進(jìn)器在操舵工況下轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)不均勻性。

表4 不同泵噴推進(jìn)器不同偏轉(zhuǎn)角度橫向力及偏轉(zhuǎn)力矩Tab.4 Lateral force and deflection moment of different pump-jet thrusters at different deflection angles

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比分析帶尾舵+泵噴推進(jìn)器潛艇模型與無(wú)尾舵+矢量泵噴推進(jìn)器潛艇模型的水動(dòng)力性能，得到了以下結(jié)論：

1）通過(guò)比較轉(zhuǎn)子盤面處軸向速度和周向速度分布，說(shuō)明了尾舵的存在對(duì)轉(zhuǎn)子盤面處流場(chǎng)均勻性不利。

2）由于矢量泵噴推進(jìn)器+潛艇模型取消了尾舵的布置，整體模型總阻力減小，矢量泵噴推進(jìn)器收到功率降低，推進(jìn)效率提高，說(shuō)明矢量泵噴推進(jìn)器推進(jìn)性能比常規(guī)泵噴推進(jìn)器好。

3）在0°～30°操舵舵角范圍內(nèi)，矢量推進(jìn)器最大偏轉(zhuǎn)力矩大于常規(guī)泵噴推進(jìn)器+尾舵的偏轉(zhuǎn)力矩。在相同的操舵角度下，矢量泵噴推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)力矩均大于常規(guī)泵噴推進(jìn)器，說(shuō)明矢量泵噴推進(jìn)器具有良好的航行機(jī)動(dòng)性。

4）在偏轉(zhuǎn)力矩相同情況下，矢量泵噴推進(jìn)器矢量噴管偏轉(zhuǎn)小于常規(guī)泵噴推進(jìn)器尾舵舵角，有利于降低泵噴推進(jìn)器在操舵工況下轉(zhuǎn)子盤面流場(chǎng)不均勻性。