无轴泵喷推进器后尾流演化的数值研究

《Applied Ocean Research》：Numerical study of the wake evolution behind a shaftless pump-jet propulsor

本文采用延迟分离涡模拟（DDES）方法，基于22.8百万网格的数值仿真，揭示了轴流泵喷推进器尾流中涡结构的演化机制。研究通过Q准则等面和瞬时、相位平均流动变量分析，发现尾流演化存在两个关键过渡点：在第一个过渡点前，尾流由叶片尾涡和轮毂涡主导；两过渡点之间形成独特的Scythe型涡结构；超过第二个过渡点后，涡腿合并并破碎，最终形成稳定尾流。数值结果验证了DDES模型在捕捉复杂涡交互方面的有效性，为推进器流体动力优化提供了理论支撑。

　　### 深度解析：无轴泵喷推进器尾流涡旋演变机制的研究

无轴泵喷推进器作为一种新型的水下推进系统，其独特的结构设计在提高潜艇性能的同时，也带来了复杂的流体力学挑战。近年来，随着对潜艇隐蔽性和机动性需求的增加，无轴泵喷推进器的研究逐渐成为水下推进技术领域的热点。本文通过高精度的数值模拟方法，系统分析了无轴泵喷推进器尾流中涡旋的演变过程，并揭示了其在不同工况下的动态行为。研究结果不仅有助于理解该推进系统的流体力学特性，也为未来的设计优化提供了重要的理论依据。

#### 无轴泵喷推进器的独特性与研究意义

传统的潜艇推进系统通常依赖于轴和轴承来传递发动机扭矩至螺旋桨。然而，这种结构存在诸多局限性，如功率利用率受限、结构振动加剧以及对辅助系统的高依赖性。相比之下，无轴泵喷推进器通过去除机械传动部件，不仅克服了上述问题，还显著提升了潜艇的水声隐身能力，这是现代海军作战中的关键因素。无轴泵喷推进器的设计核心在于其独特的几何构造，尤其是叶片与外壁之间的狭窄间隙，这使得流体动力学行为变得更加复杂。

无轴泵喷推进器的尾流中包含多种涡旋结构，这些结构的演变直接影响潜艇的流体动力学性能、隐身性和操控能力。由于无轴设计导致传统的轴涡旋消失，尾流涡旋的演变机制与传统推进器存在显著差异。研究这些涡旋的形成、演化和相互作用，对于优化无轴泵喷推进器的设计至关重要。本文采用延迟分离涡旋模拟（DDES）方法，结合大量计算网格与高精度的数值计算，对尾流涡旋演变进行了系统分析。

#### 数值方法与计算设置

为了准确捕捉无轴泵喷推进器尾流中的涡旋行为，本文采用了基于有限体积法的商用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+进行模拟。该软件在学术界和工业界广泛应用，能够有效处理复杂流体流动问题。研究中使用了DDES湍流模型，这是一种在RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯方程）和LES（大涡模拟）之间的混合模型，兼具计算效率与精度。DDES模型在处理高雷诺数流动和大规模分离现象时表现出色，尤其适用于无轴泵喷推进器这类复杂流场的分析。

计算域的几何设计与网格划分是保证模拟精度的关键。研究中的无轴泵喷推进器被命名为m1SP974，其结构包括前导流罩、环形外壁、九片前定子叶片、七片优化设计的转子叶片、四片对称的后定子叶片以及延伸的轴心结构。为了确保流体流动的高质量模拟，计算域被精心设计为直径12R?、长度38R?的圆柱形区域。流体入口位于推进器旋转中心下游14R?处，出口为压力边界，所有推进器表面均设定为无滑移边界条件。此外，采用剪切壁条件对圆柱表面进行处理，以降低计算成本。

网格的生成采用了精细化的离散化策略，确保推进器表面与流体流动区域的几何细节被准确捕捉。研究中使用了剪切网格与棱柱网格相结合的方式，所有推进器表面及其组件均采用六层棱柱网格，膨胀比为1.2，确保所有壁面的y?值低于30。剩余体积则填充了不同尺寸的剪切网格。通过设置三种不同分辨率的网格（粗、中、细），并进行网格收敛性分析，验证了数值方法的可靠性。结果表明，在细网格分辨率下，模拟的不确定性低于2.0%，充分证明了计算网格的质量与计算结果的可信度。

#### 验证与模拟结果

为了确保模拟结果的准确性，研究团队采用了一种基于K4-70和Marin 19A配置的改进型无轴泵喷推进器作为验证对象。通过将该改进型推进器的几何结构与本文所采用的计算域进行匹配，并应用相同的网格划分策略，研究团队验证了模拟方法的有效性。结果表明，该推进器的流体力学性能与实验数据高度吻合，从而确认了数值模拟方法的可靠性。

在模拟过程中，研究团队进一步分析了推进器在不同推进系数下的流场特性。通过设置三种推进系数（J = 0.9、1.2、1.453），团队对尾流中的涡旋结构进行了系统分析。模拟结果表明，尾流中的涡旋演变呈现出两个关键的过渡点：WTP1（位于1.7R?至5R?之间）和WTP2（位于8R?至11R?之间）。这两个过渡点标志着尾流涡旋结构从稳定到不稳定的关键转变。

在WTP1之前，由外壁诱导的涡旋迅速消散，尾流主要由叶片尾涡、定子尾涡以及轴心涡旋主导。随着流动的推进，这些涡旋结构逐渐发生变化。在WTP1至WTP2之间，叶片尾涡与定子尾涡融合，形成了独特的“镰刀形”涡旋结构。这一阶段的涡旋具有较强的结构稳定性，其演化过程受到定子与转子之间相互作用的影响。然而，当流动超过WTP2后，镰刀形涡旋的两侧逐渐合并，并从膝部区域分离，触发了尾流的不稳定性，最终形成小尺度的涡旋结构，逐步扩散至远场区域。

#### 尾流涡旋演变机制的深入探讨

研究团队进一步探讨了尾流涡旋演变的具体机制。在WTP1之前，尾流中的涡旋主要由叶片尾涡和定子尾涡构成，这些涡旋在流体流动中具有较强的分离特性。随着流动的推进，叶片尾涡逐渐从轴心涡旋中分离，并在旋转流场的作用下形成多层的环向涡旋结构。这种结构的形成与叶片尾涡的剪切作用密切相关，其稳定性受到旋转流场的离心力影响。

在WTP1至WTP2之间，尾流涡旋结构发生了显著变化。叶片尾涡与定子尾涡之间的相互作用导致了“镰刀形”涡旋的形成，这些涡旋在流场中占据主导地位。值得注意的是，这些涡旋的形成并非完全由叶片尾涡单独驱动，而是受到外壁诱导涡旋的协同作用。通过相位锁定的平均流场变量分析，研究团队发现，尾流中的湍流强度和涡旋结构在不同推进系数下表现出一定的规律性，尤其是在推进系数较低时，涡旋的强度和范围相对较小。

当流动超过WTP2后，尾流中的“镰刀形”涡旋开始发生剧烈变化。两侧的涡旋逐渐合并，并从膝部区域分离，导致尾流的不稳定性增强。这种现象表明，涡旋之间的相互作用在流动的后期阶段变得尤为显著。涡旋的分离与合并过程可能受到多种因素的影响，包括流体速度、叶片形状、定子布置等。通过进一步的流场分析，研究团队发现，尾流中的湍流动能（TKE）和涡旋强度在WTP2之后显著增加，表明尾流的不稳定性在这一阶段达到高峰。

此外，研究团队还引入了两个关键参数γ和ζ，用于描述尾流涡旋演变过程中的几何特性。γ表示灰色与红色虚线之间的夹角，而ζ表示灰色与绿色虚线之间的夹角。这些参数有助于更直观地理解尾流涡旋的演变路径与结构变化。在推进系数较低的情况下，尾流涡旋的演变路径较为规则，而在推进系数较高时，涡旋的演变则更加复杂，表现出更强的非线性特征。

#### 研究成果与应用价值

本文的研究成果不仅揭示了无轴泵喷推进器尾流涡旋演变的详细机制，还提出了一个全新的不稳定模型。这一模型基于模拟结果，对尾流涡旋的演变过程进行了系统描述，并指出了关键的过渡点及其对尾流结构的影响。研究团队认为，无轴泵喷推进器的尾流涡旋演变主要受到叶片尾涡与定子尾涡之间的相互作用驱动，而轴心涡旋由于受到较小的粘性摩擦影响，表现出较高的稳定性。

研究还指出，无轴泵喷推进器的尾流涡旋演变与传统推进器存在一定的相似性，但其独特的几何设计使得尾流涡旋的演变过程更加复杂。特别是在推进系数较高时，尾流涡旋的强度和范围显著增加，而轴心涡旋的稳定性则不受推进系数变化的影响。这种现象表明，无轴泵喷推进器的尾流涡旋演变具有较强的适应性，能够在不同工况下保持一定的结构特征。

#### 研究的意义与未来展望

本文的研究为无轴泵喷推进器的设计与优化提供了重要的理论依据。通过揭示尾流涡旋演变的两个关键过渡点及其对流场稳定性的影响，研究团队为提升推进器的水声隐身性能和降低振动提供了新的思路。此外，研究结果也为进一步优化推进器的几何结构和流动控制策略提供了参考。

未来的研究方向包括：进一步探究尾流涡旋演变的非线性机制，特别是在高雷诺数条件下的流动行为；探索推进器的几何参数对尾流涡旋演变的具体影响；以及开发更高效的数值模拟方法，以减少计算成本并提高模拟精度。此外，研究团队还建议未来的研究可以结合实验数据，进一步验证数值模拟的可靠性，并为实际工程应用提供更精确的指导。

总之，本文通过高精度的数值模拟方法，深入分析了无轴泵喷推进器尾流涡旋的演变机制，揭示了其在不同推进系数下的动态行为，并提出了一个新的不稳定模型。这些研究成果对于推进器的设计优化、水声隐身性能提升以及流体动力学研究具有重要的应用价值。