无轴泵喷叶片流激共振产生机理及其抑制

针对无轴泵喷异常高频梳状线谱噪声,本文研究了梳状线谱的产生原因及其噪声抑制特点。基于推进器实测噪声谱、振动谱梳状特征,初步定位梳状线谱与泵喷叶轮密切相关;进一步采用单向流固耦合分析方法,验证了无轴泵喷高频线谱来源于流激引起的叶轮面内2弯模态共振,并提出了一种在叶轮过流通道增设环筋以提高叶片支撑刚度的方案。流固耦合仿真及实测结果表明:带有环筋加强的泵喷叶轮对流激振动与噪声有明显抑制作用,梳状线谱噪声降幅达25.2~30.2 dB,且未向其他频段转移。

基于沟槽结构的泵喷推进器导管脉动压力控制研究

本文借鉴航空发动机中的压气机“处理机匣”技术,在泵喷推进器导管内壁开设一定数量的轴向沟槽结构,用于减弱泵喷推进器的梢涡,从而减小泵喷推进器导管内壁上的脉动压力。结合分离涡模拟(DES)方法和滑移网格方法对椭圆形水翼的梢涡流场进行数值模拟,数值计算结果与试验值吻合度较高,验证了数值计算方法的可靠性与适用性。在此基础上,分别对有无沟槽结构的泵喷推进器进行数值模拟,对比分析沟槽结构对梢涡涡核压力、导管内壁脉动压力和水动力性能的影响。结果表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,并对导管内壁面上脉动压力幅值有明显的降低效果,且对水动力性能影响较小。

后置定子泵喷推进器压力脉动特性分析

基于改进的延迟分离涡模型对后置定子泵喷推进器瞬态流场进行数值模拟,所得推力计算值与试验值最大误差为4.68%,验证数值模拟的可靠性。分析泵喷推进器近流场压力脉动时频域特性,研究多工况下后置定子表面压力系数、声压脉动时均值的分布规律。结果表明,泵喷推进器内压力脉动主要受转子影响,脉动周期与转子旋转周期一致,频域峰值出现在低频段且均为转子叶片通过频率的整数倍;后置定子平衡转子扭矩的做功区集中在定子前缘,并沿弦向贡献逐渐降低,尾缘约1.8%定子弦长位置对平衡扭矩近乎无贡献;前缘是定子噪声的主要贡献源,在高进速系数下,尾缘表现为定子噪声的次要贡献源,随着进速系数的降低,尾缘对定子噪声贡献逐渐降低。

后置定子泵喷推进器噪声辐射特性分析

为了探究后置定子对泵喷推进器噪声的影响,本文利用杆-翼模型完成了噪声数值方法的验证,并基于分块结构性网格对研究模型进行了瞬态模拟。分析了后置定子对流场的影响,提取了模型周围若干监测点噪声数据,探究了其噪声辐射特性。结果表明:定子叶片增大了转子尾流的轴向速度,提高了推进器的推进性能;定子叶片还能够平衡转子产生的压力涡旋,均匀尾流压力;从整体声场指向性分布来看,在轴向方向转子噪声占据主导影响,在小范围的径向方向导管噪声对整体噪声影响较大,定子噪声对整体噪声影响最小;随着距离增加,声场中的低压区指向性由前缘120°和240°向中部收缩,最终整体呈现“∞”型;在轴向方向低频段噪声衰减最快,并且随着距离的增加,衰减速度越来越快,在径向方向上,低频段噪声衰减速度变化并不明显。

转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的泵喷推进器水动力性能研究

针对泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化问题,本文设计了一种转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的改进型泵喷推进器。基于RANS方程,结合SST k-ω湍流模型,采用分块网格技术,对水下航行体后的泵喷推进器模型进行数值模拟,来分析梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构对梢隙空化与梢涡空化的控制效果以及对导管内壁脉动压力和泵喷推进性能的影响。结果显示,梢部带圆环并嵌入导管凹槽结构能明显增大转子梢部的压力以及梢涡涡核压力,减弱梢涡强度,避免梢隙空化的发生和推迟梢涡空化的发生,同时能有效降低导管内壁的脉动压力幅值,降低引起导管结构振动的激励源,并且对推进效率影响较小。该研究结果为泵喷推进器的减振降噪提供了新途径。

泵喷推进器水动力性能实验研究

前置定子式泵喷推进器被广泛应用于世界各国的新一代安静型潜艇上,但其水动力性能实验研究目前还比较匮乏。在空泡水筒中,对一型九叶定子七叶转子的前置定子式泵喷推进器进行了实验测试。其中,使用测力装置对敞水状态下泵喷推进器的推力系数和扭矩系数等进行了测试,使用激光粒子测速系统对其尾流场进行了测试。实验结果表明,此型前置定子式泵喷推进器的转子推力系数、定子及导管推力系数、转子扭矩系数均随着进速系数J的增大而减小,但定子及导管的合扭矩系数的绝对值反而随着J的增大而增大。泵喷推进器的效率在J=1.0处达到最大,为61.91%。前置定子式泵喷推进器的推力主要由转子提供。此外,泵喷推进器的尾流场由喷流加速区、轮毂低速区、混合区组成,实验测试得到了不同工况下尾流场中的瞬态速度以及平均速度值。

改进型泵喷推进器梢涡控制及敞水性能研究

为解决泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化问题,设计一种转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的改进型泵喷推进器。基于RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,采用分块网格技术,对泵喷推进器模型进行数值模拟,通过数值模拟结果分析梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构对梢涡的控制效果以及泵喷推进敞水性能的影响。结果显示,梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构能明显抑制梢涡产生,升高转子梢部流场压力,推迟梢涡空化的发生,但敞水性能有所降低,推进效率降低最大有5.12%。

泵喷推进器沟槽梢涡控制效果及敞水性能研究

为控制泵喷推进器梢隙流场,抑制梢涡空化,在导管内壁开设了一定数量的沟槽结构进行研究。本文基于分离涡模拟方法并结合高质量结构化网格对泵喷推进器的梢隙流场进行了数值计算,设计并开展了基于拖曳水池的泵喷推进器敞水性能试验,对比分析了沟槽结构对梢涡形状、梢涡涡核压力和敞水性能的影响。研究表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,涡核相对压力时均值最少可提高36.57%,在转子尾缘后梢涡低压区域体积可以减少65.8%,能有效延迟梢涡空化,并且对泵喷推进器的水动力性能影响较小,在推进效率上还有一定的改善作用。

潜艇无轴泵喷推进器水下辐射噪声数值预报及分析

文章以某小艇无轴泵喷推进器为对象,采用"CFD+BEM"方法预报了其单部件和整体水下辐射声场,对各单部件噪声在各阶叶频处的指向性及典型测点处500 Hz以内的频谱进行了分析,并对由泵喷单部件综合推导得出的泵喷噪声宽带声压级(500Hz以内)与泵喷整体数值计算结果进行了分析对比。研究表明:在1-4倍叶频中转动部件的环状转子和静止部件径向声压级均大于轴向,叶轮径向声压级小于轴向,三者均呈"8"字形分布,静止部件声压级明显小于转动部件。三个监测点中所有单部件在1倍叶频处声压级大于其它倍叶频,随频率升高声压级总体趋势下降,最终轴向、径向及两者之间45°夹角处测点的声压级波动范围基本相同。单部件综合推导得出的宽带声压级(500 Hz以内)与泵喷整体数值计算结果吻合较好,指向性为规整的"8"字形。

水下航行体泵喷推进器总体选型与设计

为了解决水下航行体新型高性能泵喷推进器工程应用的技术瓶颈,本文采用理论分析与数值试验相结合方式,探索了泵喷总体选型的理论依据和三维外形的设计方法。根据"航行体-泵喷-主机"三者能量相互平衡的原理,推导了泵喷总体参数选取步骤。采用叶片三元设计理论与CFD相互迭代方法,完成泵喷叶型设计。本文以MK48鱼雷为例,演示了泵喷选型和设计过程,计算结果表明该泵喷效率超过90%,相同功率条件下推进航速与国外公开数据一致,验证了该选型和设计方法的准确性。

泵喷的三维反问题设计及其与螺旋桨的敞水特性对比

为将某滑行艇螺旋浆替换为泵喷推进器,本文采用三维反问题方法执行泵喷的转子和静子设计,泵喷导管采用改进的导管桨19A导管,叶片厚度分布依据NACA翼型规律分布。在验证CFD数值模拟可信性的前提下对泵喷和螺旋桨进行了敞水计算和水力特性对比。结果显示:基于同一主机,在各自设计工况下所设计前漩式泵喷对应航速更高,喷水能量的轴向分量高出原桨2.5%,推进效率高出原桨3.3%,高速适应性更强,验证了设计方法的准确性和有效性。

管道内旋转声源频域声场的数值仿真

为准确计算管道内的旋转声源声场,研究基于改进的点源模型和边界元法的声场仿真方法。首先从时域上将旋转点声源离散为均匀分布在旋转轨迹上的有限的静止点声源,通过静止点声源的依次发声模拟旋转点声源的发声过程;将时域声源变换到频域,然后结合边界元方法即可计算得到管道内所有离散的静止点声源声场,该声场即为旋转点声源声场。验证基于改进点源模型计算旋转声源自由声场以及利用边界元方法计算管道内静止点声源声场的可信性,以泵喷推进器为对象,将泵喷叶片分块划分并等效为偶极源,计算分析导管内的叶轮声场。研究结果表明:以改进的点源模型和边界元法为基础的管道内旋转声源声场仿真方法是有效易行的;对导管内叶轮声场而言,入射声场与散射声场存在较大差异,导管对径向测点处叶轮声场影响较大,对轴向测点处叶轮声场的影响可以忽略。

基于分块结构网格的泵喷推进器敞水性能模拟

为准确预报泵喷推进器的敞水性能,采用分块高质量结构化网格,结合SST k-ω模型对模型泵喷推进器进行数值模拟。结果表明:采用该数值方法所得计算值与试验值具有较好的一致性;进行泵喷推进器敞水性能模拟时,进口距转子域的最佳长度为3倍转子直径;泵喷推进器的前置定子有利于降低辐射线谱噪声和提高推进效率;较大的导管攻角有利于降低泵喷推进器的辐射线谱噪声。

基于统计学习的船舶泵喷推进系统实船快速性预报新方法

[目的]针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。[方法]以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船-桨配合时的K_(T)-J曲线和船体-喷泵配合时的推力特性曲线,建立“仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体-泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。[结果]校验结果表明:在航速18~30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体-泵喷的相互作用程度介于船-桨与船体-喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。[结论]该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。

喷水推进和泵喷推进的概念：共性、特性及区别

[目的]针对国内外喷水推进和泵喷推进的概念缺乏完整定义、外延尚存混淆、产品称谓混乱的现状,[方法]通过对这2种推进器工作原理和具体结构的剖析,进行共性提炼和特性区分,提出喷水推进和泵喷推进的定义,指出它们的共性、特性及区别。[结果]喷水推进和泵喷推进均属泵类推进,都是通过管道内叶轮和导叶的流场匹配设计在喷口产生轴向射流而获得推进作用;喷水推进的第一设计指标是高效率、首要保证快速性,相应的设计结果是喷水推进器;泵喷推进的第一设计指标是低噪声、首要保证声隐身性,相应的设计结果是泵喷推进器。[结论]该定义不仅包含和区分了已问世至今的喷水推进器和泵喷推进器,而且也明示了国外某些泵类推进器命名存在的问题。该定义有助于业内对喷水推进和泵喷推进的认识和区分。

喷水推进与泵喷推进的对比研究

针对船舶推进领域"喷水推进"与"泵喷推进"两概念混淆的现状,本文从两者的起源及发展历程出发,在系统分析两者结构型式的基础上,根据流体力学控制体原理及喷水推进泵理论剖析了两者的水动力原理及核心部件的做功机理。针对控制体的外流场问题,运用翼型升力理论及叶片泵理论推导演绎了外置式喷水推进与泵喷推进外流场对推进系统总推力的作用,阐明了两者原理相同、核心功能转化部件均为喷水推进泵,论证了泵喷推进为喷水推进在水下航行体领域应用时的特定称谓,是喷水推进技术在水下航行体领域的发展。

船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用

本文着重介绍中国船舶科学研究中心（ＣＳＳＲＣ）在ＣＦＤ方面所具备的能力。内容有：粘性流中水面舰船尾流场计算；实船雷诺数１０９量阶的舰船尾流场和水动力性能的数值预报；实效伴流场－船体与螺旋桨相互作用的数值预报；粘性流中潜艇周围流场及尾流场研究；艇体与附体连接部位的流场精细结构研究；潜艇／鱼雷泵喷射推进器研究中的ＣＦＤ和螺旋桨粘性流场计算。

泵喷推进器水动力噪声的数值预报

泵喷推进器由于其高航速时优异的噪声性能,在核潜艇上已得到广泛应用,对其水动力噪声数值计算方法进行研究具有重要意义。文中首先在利用CFD方法得到固体壁面脉动压力分布的基础上,基于边界元方法完成了静止固体壁面流噪声的计算,结合点源模型并借鉴扇声源理论完成了任意边界条件下旋转声源噪声的计算,并且噪声计算结果与试验值、文献值吻合较好;然后以某泵喷为对象分别计算了泵喷静止部件和旋转部件的水动力噪声,最后对二者声场进行叠加即得到泵喷总噪声。结果表明静止部件噪声宽带总声级在径向最高,旋转部件噪声则在轴向最高;在导叶通过频率及其谐频处,由于叶轮与导管内壁面相互作用区域脉动剧烈,使得导管成为径向测点处噪声的主要贡献者,导叶对总声场的贡献量很小。

水面泵喷推进自航因子数值与试验研究

针对安装短导管水面泵喷推进器的三体船模,采用CFD方法开展阻力试验、推进器敞水性能试验和自航试验数值模拟,并在拖曳水池开展阻力试验和自航试验,对比数值计算和模型试验得到的船模阻力、推进器自航转速、转子轴向推力和扭矩,使用数值计算结果求解自航因子。结果表明,数值计算求解的裸船体阻力误差小于2.84%,高速(Fr=0.442~0.590)时的自航转速误差小于4.36%,转子轴向推力误差小于1.62%,推力减额约为0.055~0.058,伴流分数约为0.049~0.065,推进效率约为0.567~0.574。

泵喷水动力性能预报及导管拱度的影响分析

为研究泵喷梢隙流动的影响,本文基于面元法理论建立了泵喷组件间的干扰数值模型和梢部泄露涡模型。将不同工况下推进性能的计算结果与CFD方法的结果进行对比,对比结果表明,转子梢部的泄露涡对周围流场存在强烈的扰动,引入梢涡模型可以有效地改善泵喷定子和转子的性能预报精度。在此方法的基础上,通过改变导管翼型剖面的拱度值,分析不同拱度的导管对泵喷水动力性能的影响,分析结论显示,增加拱度可以显著地提高泵喷的推进效率和有效做功范围,直至当导管表现为减速型导管时,推进性能的提高幅度降低;最后针对装配在高速水下航行体的泵喷推进器,给出了导管拱度的建议取值范围。