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。

叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角(喷管偏角)下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。

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。

水下航行器及泵喷推进器能量转换特性研究

泵喷推进器是一种结构复杂的多部件组合水下推进器,主要由导管、定子和转子三部分组成,具有高临界航速、高效率和低噪声等特点。国外泵喷推进器研究和应用较早,用于鱼雷和潜艇主推进器,国内研究工作相较起步较晚。介绍了潜艇及泵喷推进器周围流场特性,按照潜艇及推进器试验和数值模拟两方面总结了目前国内外泵喷流场特性研究现状;进一步针对泵喷推进器空化流动特性进行了分析,并介绍了目前推进器的结构优化策略;最后分析并总结了泵喷流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战。

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。

泵喷推进型潜艇电场防护效果与阴极保护性能分析

为探究泵喷推进型潜艇在电场防护和外加电流阴极保护这两种典型工作形态下的防护效果,采用边界元法建立了此型潜艇的腐蚀相关静电场模型,仿真分析了导流罩和导叶对电场防护与阴极保护效能的影响。结果表明:相较于传统推进方式,泵喷推进型潜艇在海水中电场峰峰值降低了约38%,且其仅需约50%的电流值便能达到更优的电场防护效果。此外,不论阴极保护过程中整艇涂层是否完好,泵喷推进装置处的电场峰值均有一定程度的降低,这表明泵喷推进装置具有更好的电场隐身性能;然而在对泵喷推进型潜艇外加电流阴极保护的过程中,只能在船身和大轴处达到较好的保护效果,其导流罩内部的叶轮和导叶难以达到保护电位,处于欠保护状态,局部腐蚀防护仍需加强。

轮毂比对无轴泵喷推进器性能的影响

为了探究轮毂比对无轴泵喷推进器内流特性的影响,本文基于RNG k-ε湍流模型和多重坐标系对无轴泵喷不同轮毂比(0.20、0.23、0.25)下的内部流动进行了非定常数值计算与分析。结果表明:随着轮毂比的增大,模型泵喷扬程、效率和推力均有所降低;叶片表面压力从叶梢到轮缘的压力梯度变小;叶轮中部速度略微减小,叶轮中心速度逐渐增大;叶轮出口漩涡强度先增强后减弱,漩涡面积朝着出口延长段出口逐渐扩大;叶轮中部压力脉动略微增大,叶轮轮缘和中心处压力脉动变化较小。无轴泵喷进口和出口中心处的主频略低于轴频,其余各点主频为轴频。轮毂比增加至0.25时,叶轮出口及出口延长段中心压力脉动主频处幅值大幅增加。研究结果能够为无轴泵喷推进器结构的优化设计提供一定参考。

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°~30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。

泵喷推进器间隙流动控制技术试验研究

[目的]旨在抑制转子叶梢间隙流动,解决其给泵喷推进器水动力性能和非定常激振力带来的问题。[方法]以某型前置定子式泵喷推进器为对象,采用环状柔性密封结构与转子端环配合的方法,研究其抑制转子叶梢的间隙流动的有效性。通过保持导管结构近似刚性固定,测得推进器转子的推力和扭矩,给出转子的敞水效率,在高功率频闪仪的辅助下,观察记录各设计工况下的空化初生点,计算绘制出推进器的空化初生特性曲线。针对有/无间隙的推进器模型,在空化/非空化状态下通过试验测得转子轴的振动加速度,以此评估间隙消除对轴系振动的影响。[结果]结果显示:带有柔性密封结构的泵喷推进器,其转子的推力和扭矩显著提升,也使得转子敞水效率在中低进速系数下得到显著提升,且在设计点附近基本保持不变,在较高进速系数下略有下降;在设计点附近一段很宽的进速系数(0.85<J<1.40)下,无间隙泵喷推进器的空化性能更优;与有间隙泵喷推进器相比,装有无间隙泵喷推进器的轴系,其轴向振动加速度幅值在大多数特征频率处都显著降低。[结论]研究结果表明,采用柔性密封结构来抑制叶顶间隙流动,对于提高中低进速系数下的转子敞水效率、优化设计点处的空化性能以及抑制推进器的轴系振动等具有积极作用。

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。

泵喷定子襟翼作动对转子非定常力抑制方法数值研究

[目的]转子非定常力是泵喷推进器轴系振动的主要激励源,其产生机理和抑制机理受转−定子干扰流动的影响,需研究其抑制方法。[方法]在泵喷推进器定子后缘引入襟翼结构,利用襟翼作动产生二次流动,改变转子入流条件,调控转−定子干扰流动,达到抑制转子非定常力的目的。以具有前置定子襟翼的Suboff全附体艇后泵喷推进器为研究对象,采用基于SST k–ω湍流模型的URANS方法和动网格技术建立可实现定子襟翼作动的数值模型。针对转子非定常力转子叶频分量的抑制,给出定子襟翼作动规律的表达式。[结果]结果显示,在襟翼作动最优控制下,泵喷的水动力性能变化不超过1%,转子轴向非定常力在转子叶频处下降了83.35%,单个转子叶片轴向非定常力在转子叶频处降低了81.80%;襟翼作动对定子尾迹与转子入流速度的调控是抑制转子非定常力的机理。[结论]研究表明,最优控制下的定子襟翼作动能够在保持水动力性能的同时使转子非定常力特征线谱得到显著抑制,可为泵喷推进器的叶频等线谱控制提供一种新的思路。

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。

泵喷推进器压电复合材料导管及定子结构的振动控制

泵喷推进器导管及定子表面的分布式脉动压力通过导管和定子传递激励艇体振动的过程中,在导管和定子结构模态处会产生动力放大效应。为对该动力放大效应进行控制,提出内嵌压电片的碳纤维-玻璃纤维复合材料导管及定子结构,通过引入串联电阻-电感(Resistance-Inductance,RL)分流电路、负电容压电分流电路对导管和定子结构模态处的振动响应进行控制,以有效降低通过导管和定子传递至艇体的传递力。建立复合材料导管及定子结构的动力学模型、结构-压电分流电路机电耦合动力学模型,获得结构的固有频率、位移频响、最优控制分流电路参数及控制效果。结果表明:导管及定子结构第一、第二、第六、第八阶模态是振动传递动力放大效应显著的主要模态;串联RL压电分流电路可对主要模态的动力放大进行有效抑制,相应模态的传递力幅值分别降低6.35 dB、1.7 dB、0.4 dB和2.68 dB;相比于串联RL压电分流电路,串联负电容压电分流电路在相应模态的振动控制效果分别增加2.93 dB、2.70 dB、0.70 dB、1.37 dB;并联负电容压电分流电路的振动控制效果分别增加2.90 dB、2.40 dB、0.60 dB、1.36 dB。

导管对泵喷推进器艇后推进特性的影响

为研究泵喷推进器的艇后推进特性及导管主要参数对推进特性的影响,给出基于推进效率和推进器功率的导管主要参数选择范围,该文通过改进的延迟脱体涡模拟(improved delayed detached eddy simulation,IDDES)方法求解艇后泵喷推进器在不同航速、转速和导管主要参数下的流场,研究了不同航速和不同导管主要参数下的泵喷推进性能和自航因子,其中导管主要参数包括倾角、轴向长度、最大厚度、进口直径和出口直径。结果显示:除导管最大厚度外,导管的倾角、轴向长度、进出口直径对自航因子及推进器功率有较明显影响,倾角和出口直径的变化会显著改变推进器流量,进而影响功率和推进效率。结论表明:选择艇用泵喷推进器导管主要参数时,除了取值要在合理范围,倾角和出口直径还要根据艇体尾段的线型和角度来优化取最佳值。

基于叶梢小翼的泵喷推进器梢隙涡控制方法数值研究

泵喷推进器转子叶片梢涡不仅会降低推进器空化性能,而且会引起较大的梢隙压力脉动和非定常激励力,从而降低推进器声学性能。因此,泵喷梢隙涡控制是提升推进器声学性能的有效途径。该文针对某前置定子泵喷推进器,提出基于叶梢翼的梢涡控制措施,并利用高精度数值仿真方法对比分析了抑制梢涡前后的泵喷推进器推进性能、流场结构、压力脉动等特性。研究结果表明:基于叶梢翼的转子梢涡控制方法可显著抑制泵喷梢涡发展和叶梢间隙压力脉动,并且对推进器的水动力性能影响较小,可为泵喷推进器声学优化提供参考。

体积力虚拟盘代替泵喷推进器叶片数值模拟及验证

对采用泵喷推进器的水下航行器进行操纵性预报时,对真实推进器几何进行网格划分并求解时面临的计算周期长、计算开销大的问题。为提高求解效率、简化计算模型,提出采用体积力虚拟盘体代替推进器叶片几何的方法。在准稳态假设的基础上,不考虑航行器的机动运动对流场的影响,通过对航行器推进器的耦合流场进行稳态数值模拟,并对缩比模型拖曳试验,研究航行器推进器的耦合流场特性;在此基础上获得推进器包括定子、转子和导管在内的力矩系数、推力系数与进速系数之间的关系,进一步以虚拟盘体代替推进器叶片几何造型,建立简化仿真模型,通过等效变换方法求解虚拟盘体尺寸参数,对体积力虚拟盘替代推进器叶片情况下推进器的推进能力进行了仿真模拟。仿真结果表明,在误差允许条件下,体积力盘体替代真实叶片得到的数值模拟结果和实验值、实际叶片几何数值模拟仿真结果均比较接近,总推力误差和转矩误差均能控制在5%以内,结论替代方案用于操纵性预报具有较强的可行性。

泵喷推进器的流激声振特性研究

文中以某泵喷推进器为研究对象,基于计算流体力学(CFD)方法计算泵喷推进器非定常流场,提取泵喷推进器结构表面流体脉动压力,并结合扇声源理论和边界元法(BEM)计算泵喷推进器中旋转部件(转子)和静止部件(定子和导管)的流体直接辐射噪声.利用有限元法(FEM)计算流激作用下引起的泵喷推进器结构辐射噪声,分析泵喷推进器辐射声场指向性及声压分布特性.结果表明:泵喷推进器旋转部件声压级指向性呈“∞”字形,静止部件声压级指向性呈“8”字形,旋转部件流噪声为主要贡献量;结构辐射噪声在泵喷尾端声压较高,结构辐射噪声小于流体直接辐射噪声;由于受动静干涉及导管间隙流动作用,泵喷推进器噪声最大位置分布在转子和定子之间,特征频率主要出现在叶频和倍叶频处,轴频处对应峰值相对较小.