新型融合导管泵喷推进器对潜艇非定常水动力性能的影响研究

本研究针对潜艇泵喷推进系统(PJP)中传统导管设计导致的流动分离与噪声问题，创新性地提出融合导管结构，将其与艇体一体化设计。通过计算流体力学(CFD)方法系统分析了进口半径、叶尖间隙和导管出口直径等关键参数对推进性能的影响，揭示了导管出口直径对推力/扭矩的核心调控作用，并发现叶尖间隙会显著增强转子前缘区域的压力脉动。该研究为低噪声潜艇推进器设计提供了重要理论依据。

　　

在深海装备技术竞争日益激烈的今天，潜艇的隐蔽性与机动性很大程度上取决于其推进系统的性能。传统泵喷推进器(Pump-jet Propulsor, PJP)虽然具有效率高、空化性能好等优点，但作为独立部件安装在艇尾时，导管与艇体连接处易产生流动分离，不仅降低推进效率，还会产生显著的水动力噪声。更棘手的是，这种噪声特征可能成为敌方声呐探测的"指纹"。如何通过创新设计实现"静音"与"高效"的双重突破，成为各国海军装备研究的重点难题。

四川大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，独辟蹊径地将潜艇导管与艇体进行一体化融合设计。这种被称为"融合导管"的创新结构，通过消除传统PJP的机械连接界面，不仅优化了流场结构，还能充分利用艇体边界层流动。研究采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)进行三维非定常模拟，结合大涡模拟(LES)技术捕捉湍流细节，系统考察了进口半径(R_in)、叶尖间隙(δ)和导管出口直径(D_out)三个关键参数对推进性能的影响规律。

Objectives of the study
研究以团队前期设计的融合导管PJP为基础模型，重点解决传统设计中存在的流动分离与压力脉动问题。通过将导管与Suboff潜艇标准模型进行一体化建模，实现了边界层流体的高效利用，这在降低空化风险的同时提升了推进效率。

Governing equations
采用不可压缩RANS方程作为控制方程，其中连续性方程保证质量守恒，动量方程则通过引入雷诺应力项(-?u_i'u_j'￣/?x_j)来模拟湍流效应。这种建模方式能准确捕捉导管内部复杂的涡流结构。

Results and discussion
仿真数据表明：当导管出口直径(D_out)增大15%时，推力系数提升22%，这源于出口流场更加均匀的流速分布。但值得注意的是，叶尖间隙(δ)每增加0.5mm，转子前缘的压力脉动幅值就会骤增35%，这种高频波动正是水下噪声的主要来源。

Conclusions
研究证实融合导管设计能显著改善PJP的综合性能：①导管出口直径是影响推进效率的主导因素；②叶尖间隙对压力脉动的敏感性远超其他参数，特别是在转子前缘和进口通道区域；③一体化结构使边界层利用率提升40%，有效推迟了空化初生。该成果为新一代低噪声潜艇推进系统提供了设计范式，其揭示的"结构-流场-声场"耦合机制对水下装备隐身技术发展具有指导意义。

值得注意的是，团队通过四川大学人才启动基金(YJ202102)和国家自然科学基金(52179087)的支持，建立了完整的PJP性能评估体系。这项研究不仅填补了融合导管在敏感水下平台应用的研究空白，其采用的CFD/LES多尺度模拟策略也为复杂流动问题的研究提供了方法论参考。未来，该技术路线或可拓展至深潜器、水下机器人等特种装备的推进系统优化中。