前置与后置定子泵喷推进器的水动力性能对比

为探究前置和后置定子泵喷水动力性能上的不同,本文采用计算流体力学方法,基于物理试验数据验证的数值计算模型,从敞水性能、空化性能和脉动特性3个方面对两类泵喷的水动力性能差异进行研究。结果表明:在消耗功率相同、几何尺寸近似的前提下,后置定子泵喷推进性能、平衡性优于前置定子泵喷,在较宽进速范围其推力效率比后者高2%;前置定子泵喷抗空化性能比后置定子泵喷差,空化数越小,推力效率降低幅值越大;前置定子泵喷转子叶片引起的旋转部件流场脉动压力幅值大于后置定子泵喷,而定子、导管等静止部件的流场脉动压力与之相反,后置定子泵喷脉动压力幅值大于前置定子泵喷。

后置定子对喷水推进泵性能的影响规律

采用RNGk-ε模型对不同后置定子叶数的喷水推进泵性能进行数值模拟,采用4119桨进行数值验证,计算结果误差均在3%以内,可有效预报水动力学性能。基于现有模型喷水推进泵,分析其水动力学性能,对比不同叶数定子的喷水推进泵性能,分析其推力性能,发现随着定子叶数增加到11叶,推力增大了5.7%,随着叶数继续增加,推力降低,最终只提高了2.1%;对转子推力进行傅里叶分析,发现转子的频域特性并未发生变化;同时分析尾流场压力脉动和湍动能分布,增加定子叶数可改善尾部流场的压力脉动,降低脉动值,随着叶数继续增大,脉动值又增加,其变化趋势与湍动能分布相同。通过掌握定子对喷水推进泵尾流场的影响特性,奠定喷水推进泵设计基础。

浸没式喷水推进器脉动流场特性数值分析

为分析浸没式喷水推进器的流场脉动特性,分别以前置定子式和后置定子式喷水推进器为对象,完成船后推进器瞬态流场的数值仿真;分析导管、定子和转子脉动压力、脉动推力特性。结果表明,对前置定子式喷水推进器而言,静止部件的推力主要由导管产生,导管壁面的压力脉动远大于定子;受转子和定子相互作用的影响,转子和导管内壁相互作用区域的流场脉动最强,且体现了转子特征。对后置定子式喷水推进器而言,由于定子后置其对转子进流影响减弱,使得各部件脉动流场均体现了转子信息,且转子脉动力幅值增加。结合不同结构形式浸没式喷水推进器的脉动流场分析结果可知,后置定子式推进器的流场脉动量要低于前置定子式推进器;且前置定子式喷水推进器的脉动流场特征较后置定子式喷水推进器更为复杂,亦不利于推进器的降噪设计。

泵喷推进器扭矩自平衡优化分析

为降低泵喷推进器的横滚扭矩,采用正交模拟试验的方法对后置定子泵喷推进器进行分析,通过计算流体力学(CFD)对正交试验的不同组合后置定子泵喷推进器进行预报。以效率和扭矩系数为评价指标,分析定子叶片数量、定子安装角度、定转子安装距离、定子弦长对水动力性能的影响程度,并得出最优模型参数。最优模型相对原始模型横滚扭矩降低了76%,效率提升了4%,优化模型的尾部流场稳定性优于原始模型。后置定子的安装角度对平衡泵喷推进器的扭矩,提升推进器的效率具有重要作用。

扭矩平衡式水下机器人推进器研究

某些水下机器人横向尺度较小,往往与其主推螺旋桨直径处于同一量级;螺旋桨旋转所带来的扭矩会使机器人产生明显的横倾;所以,在水下机器人的推进器设计过程中就必须考虑保持机器人的纵向稳定性。该文就此问题提出了一种集成式扭矩平衡推进器,该推进器利用与保护导管相连的后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩,导管、导管支架、定子与驱动主机集成为一体,推进器整体无扭矩输出,通用性强。此后给出了推进器的理论设计方法及过程,应用面元法理论对所设计推进器进行了水动力性能计算分析。最后讨论了定子各参数对推进器性能的影响。