无轴缘动力推进器含气泡流动特性与水动力性能的 CFD 研究

《Ocean Engineering》：CFD study on bubble-entrained flow characteristics and hydrodynamic performance of shaftless rim-driven thruster

　　

•气液进流加剧了流动分离并扩大了低速区域。
•流动分离随进口气体体积分数 (IGVF) 增加而增加，最大值为 5%。
•较小的气泡促进流动均匀性，而较大的气泡加剧相间滑移和不稳定性。
•增加进口气体体积分数 (IGVF) 和气泡直径会导致流动不均匀和强烈的分离。

**引言**
无轴缘驱动推进器（RDTs）作为一种新兴的推进系统，由于其结构紧凑、噪声低且可靠性高，相较于传统轴驱动螺旋桨引起了广泛关注（Zhu and Liu, 2022; Nie et al., 2023; Lackner et al., 2024）。RDTs 消除了机械传动轴，转而依赖电磁或液压驱动将扭矩直接传递至螺旋桨缘。这种独特的结构设计极大地实现了灵活安装，简化了密封布置，并显著降低了振动和维护需求（Chen et al., 2017）。此外，中央轴的移除开辟了额外的流道面积，从而提高了水动力效率，促进了更安静、更稳定的运行。这些优势使 RDTs 成为工业应用中一种有前途的替代品，特别是在紧凑性、环境适应性和运行可靠性至关重要的领域，如无人水下航行器、电动船舶和航空航天推进系统。

尽管具有这些优势，RDTs 经常在由自由表面扰动、尾流充氧或通气管引起含气进流条件下运行（Yan et al., 2017）。在此条件下，分散的气泡被引入进流中，推进器内部的流动从单相液流变为气液两相流。气泡的存在改变了工作流体的局部有效密度、动量传递和可压缩性，从而加剧了相间滑移和相间不均匀性（Cao et al., 2015; Suryanarayana et al., 2010）。当气泡穿过旋转通道时，在压力梯度、旋转运动和局部涡结构共同作用下，它们倾向于迁移至低压、低动量和流动分离区域。对于 RDTs 而言，这一过程尤为重要，因为环形通道狭窄，叶片间距有限，且缘附近的圆周速度高（Yakovlev et al., 2011）。因此，气泡可能优先积聚在叶片吸力面、前缘、后缘和叶梢区域，这些区域的局部压力梯度和剪切效应较强（Lai, 2006）。这种气体积聚可能局部扭曲压力场，加剧流动分离，甚至在通道内产生类似阻塞的效果，进而诱导非定常叶片载荷和更强的压力波动（Cao et al., 2012; Chen et al., 2023）。在宏观层面，这些流动畸变可能会降低推力和效率，增加能量耗散，并放大振动和噪声。在严重的含气条件下，持续的高含气区域可能进一步使内部流动不稳定并损害长期运行可靠性（Alizadeh et al., 2024）。因此，阐明气泡在 RDTs 中的输运、积聚和流动耦合行为，对于理解气体导致性能恶化的机制至关重要。

气泡、内部流动结构和旋转部件之间的相互作用在流体机械中已通过实验测量和数值模拟两种主要方法进行了广泛研究（Cai et al., 2024）。现有研究主要关注几个密切相关的问题，包括气泡输运和相分布、在低压或流动分离区域的优先积聚、气体引起的涡结构改变和叶片载荷，以及由此导致的水力或推进性能恶化（Yang et al., 2024; Chen et al., 2023）。这些问题强烈耦合，因为气泡运动受到底层流场的支配，而气体积聚反过来又改变了局部压力梯度、流动分离和非定常流动发展（Mansour et al., 2023）。对于 RDTs，由于受限的环形通道和缘驱动推进模式，这种耦合预计会更加显著（Zhu et al., 2024）。

实验研究为旋转机械中的气液流动提供了重要见解。先进的诊断技术，如 X 射线成像和高速可视化，已被应用于捕捉泵和相关液压设备中的瞬态空化演变、进口气液流动模式和内部相行为（Duplaa et al., 2013; Zhang et al., 2015, 2016）。这些研究表明，气泡行为强烈依赖于运行条件，且增加气体含量通常会加剧流动不均匀性，扭曲内部速度场，并降低叶片载荷和水力性能（Murakami and Minemura, 1974; Barrios and Prado, 2011）。因此，实验对于识别宏观流动现象和验证全局性能趋势不可或缺。然而，其解析狭窄旋转通道内部相间局部相互作用的能力仍受限于光学访问受限、成本高以及空间和时间分辨率不足（Jiang et al., 2022）。这些局限性对于 RDTs 尤为严重，其紧凑的环形通道使得直接观察气泡积聚、局部流动分离和相重新分布特别困难。因此，仅靠实验不足以完全揭示 RDTs 中气体引起的流动不稳定性的内部机制。

随着计算流体力学（CFD）的快速发展，数值模拟已成为研究流体机械中气液两相流的有效工具（Shi et al., 2021; Zhai et al., 2022; Pu et al., 2024; Huang et al., 2026）。在现有的缘驱动推进器数值研究中，基于雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）的方法最常被采用，因为它们在计算成本和预测能力之间提供了实用的平衡。以前 RDT 研究中使用的湍流模型主要包括标准 k-ε、SST k-ω 和转捩模型，这些模型已被应用于不同运行条件下的敞水性能预测、尾流演变和转捩流分析（Ouyang et al., 2025）。其中，SST k-ω 和转捩模型通常能在解析近壁流动和层流到湍流的转捩方面提供优势，但它们在复杂的工程模拟中通常对网格质量、入口条件和计算成本更敏感（Masoumpour et al., 2025）。对于本研究涉及的问题，即在受限环形通道中涉及气液耦合、强旋转效应和可能的流动分离，可实现 k-ε 模型在鲁棒性、计算效率和预测能力之间提供了更合适的折衷方案（Caridad and Kenyery, 2004）。因此，本研究采用了该模型。

关于泵、诱导轮和其他旋转机械中气液流动的数值研究揭示了几种共同特征。气泡在通道内并不保持均匀分布；相反，在压力梯度、旋转效应和相间滑移的共同作用下，它们倾向于迁移至低压区域、涡主导结构和流动分离区（Zhang et al., 2020; Shi et al., 2021; Shi and Zhu, 2021）。随着进口气体体积分数的增加，气体积聚变得更加明显，流动更容易发展出局部阻塞、更强的分离和更大的压力波动，最终导致性能下降（Ge et al., 2020; Mansour et al., 2020 & 2023）。气泡尺寸和液体流量也会影响相分布和流动稳定性（Freeman and Marshall, 2011; Liu et al., 2022），因为更强的液体输运可能会促进气泡破碎并抑制大型相干气结构的形成（Liu et al., 2023; Gao et al., 2025）。这些研究表明，气相输运受到底层流动结构的支配，而由此产生的相重新分布进一步改变了局部压力场和非定常流动发展。然而，大多数这些发现是针对传统水力机械获得的，由于独特的环形通道、中央毂的缺失以及缘驱动推进模式，它们对 RDTs 的适用性仍然不确定（Zhang et al., 2025; Zhou et al., 2023）。

目前，针对无轴缘驱动推进器的 CFD 主要关注单相条件下的水动力性能预测、尾流演变、能量损失机制和几何优化（Cheng et al., 2025; Liu et al., 2024a, Liu et al., 2024b, Liu et al., 2024c）。这些研究表明，RDTs 的水动力特性对环形约束、叶片几何形状以及叶片、缘和导管之间的相互作用高度敏感。特别是，间隙流动已被确定为影响整体性能和损失生成的重要因素，而几何优化和叶片形状变化可以显著改变推力、扭矩、效率、局部压力分布和尾流发展（Liu et al., 2024a, Liu et al., 2024b, Liu et al., 2024c）。此外，数值分析表明，RDT 性能的预测强烈依赖于内部流动组织和建模策略，且无轴推进器的结构设计和水动力特性紧密耦合（Liu et al., 2024a, Liu et al., 2024b, Liu et al., 2024c; Lin et al., 2023）。尽管这些研究增进了对 RDT 水动力学的理解，但在含气进流下的内部气液两相流机制仍然探索不足（Cai et al., 2022; Liu et al., 2022）。特别是，进流速度、进口气体体积分数和气泡直径对环形通道内气体积聚、流动分离、压力扭曲及相关流动不稳定性的影响尚未被系统阐明（Frederix et al., 2025）。因此，虽然以往的研究提供了有用的参考，但针对 RDTs 仍需要进行有针对性的调查。

在本研究中，基于叶片参数化在 SOLIDWORKS 中构建了 RDTs 的三维几何模型，并使用 ICEM 生成了高质量的非结构化网格。气液两相流在 ANSYS Fluent 中使用欧拉双流体模型耦合可实现 k-ε 湍流模型进行求解，以捕捉相间相互作用和湍流效应。研究了进流速度、进口气体体积分数 (IGVF) 和气泡直径（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 和高斯分布范围 0.1-0.3 mm）对 RDTs 中耦合流动特性和气泡引起的侵蚀行为的影响，并进行了分析。通过分析压力分布、速度场、气体体积分数、流动分离和进流不均匀性等关键流动特性，系统评估了气相参数对内部流动稳定性和侵蚀相关机制的影响。此外，进一步检查了叶片数量和气泡尺寸分布的影响，以确定它们在调节气体积聚、抑制流动分离和提高流动均匀性方面的作用。这种综合分析为理解 RDTs 在含气进流条件下气泡引起的流动不稳定性和侵蚀演化机制提供了见解。

**章节片段**

**方法**
在本研究中，进行了数值模拟以解析 RDTs 中的气液两相流，并量化由此产生的压力分布、气体积聚、流动分离和进流不均匀性的变化。

**结果与讨论**
当 RDTs 的进流中存在气体时，由于气相性质和进流速度的变化，气液两相流的流动特性与纯水单相流显著不同。在本研究中，在不同进流速度、进口气体体积分数 (IGVF) 和气泡直径下对 RDTs 内的两相流场进行了数值模拟。结果与纯水单相流的结果进行了比较，以调查

**结论**
本研究系统调查了 RDTs 在含气进流条件下的内部流动特性，重点关注进流速度、进口气体体积分数 (IGVF) 和气泡直径的影响。主要结论总结如下。
(1) 气体的存在显著改变了 RDTs 的内部流动结构。与纯水条件相比，气液两相流加剧了流动分离并扩大了叶片通道内的低速区域，表明流动
**CRediT 作者贡献声明**
Nan Wang：数据整理、调查、软件、验证、可视化、写作 – 初稿。Zhentao Wang：构思、形式分析、资金获取、方法论、项目管理、资源、软件、监督、写作 – 审阅与编辑。Bin Li：构思、资金获取、方法论、项目管理、软件、监督。Xiaoying Wang：构思、形式分析、资金获取、方法论、资源、软件。Junfeng Wang：
**竞争利益声明**
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。
**致谢**
这项工作得到了国家自然科学基金（52076105）和教育部先进反应堆工程与安全重点实验室（ARES-2025-01）的支持。

Nan Wang|Zhentao Wang|Bin Li|Xiaoying Wang|Junfeng Wang|Qingming Dong