《Journal of Marine Science and Engineering》：A Comparative Numerical Study of Hydrodynamic and Acoustic Performance Between Contracted and Loaded Tip Pump-Jet and Conventional Pump-Jet
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研究人员采用收缩载荷叶尖（Contracted and Loaded Tip, CLT）螺旋桨替代传统泵喷推进器转子，并基于脱体涡模拟（Detached Eddy Simulation, DES）方法开展对比分析。数值方法的可靠性首先通过敞水试验得以验证。CL
研究人员采用收缩载荷叶尖（Contracted and Loaded Tip, CLT）螺旋桨替代传统泵喷推进器转子，并基于脱体涡模拟（Detached Eddy Simulation, DES）方法开展对比分析。数值方法的可靠性首先通过敞水试验得以验证。CLT泵喷推进器被系统地划分为变端板宽度（CW）与变端板长度（CL）两个系列开展研究。结果表明，变端板宽度对水动力性能影响显著，宽度减小会导致推力系数、转矩系数及效率更明显的下降；相比之下，变端板长度主要在高进速系数下影响效率。关于旋涡特征，间隙区域由叶尖泄漏涡（tip leakage vortex, TLV）与叶尖分离涡（tip separation vortex, TSV）主导，其强度与演化受端板结构影响。端板宽度减小会扩大间隙内低速区，而长度增加有助于涡系更稳定地发展。在噪声性能方面，变宽度设计有效抑制压力脉动并实现降噪，其中CW3模型在1 m与20 m距离处总声源级最大分别降低5.7 dB与4.0 dB；反之，变长度设计加剧压力脉动，未显现显著降噪效果。
研究背景方面，泵喷推进器作为复杂水下推进装置，其水动力、空化与声学性能一直是船舶工程领域的研究焦点。随着“绿色船舶”理念推进，学者不再局限于推进器本身，而致力于附加节能装置或改进原有结构以优化性能。端板结构源于航空翼梢小翼，后被引入船用螺旋桨形成CLT螺旋桨，已有研究证实CLT可提升螺旋桨效率并改善尾涡流场，但既有文献仅关注CLT螺旋桨自身，尚未将CLT结构应用于泵喷推进器等其他类型推进器。因此，研究人员将CLT结构首次引入泵喷转子，借助先进湍流模拟与声学类比方法，系统分析其对泵喷水动力与声学性能的影响，论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。
关键技术方法上，研究人员以团队自研基准泵喷推进器及其衍生的六组CLT变体（CW1–CW3、CL1–CL3）为对象，在Siemens Star-CCM+中采用有限体积法，空间二阶迎风、时间二阶隐式离散，SIMPLEC耦合，基于SST k-ω的DES（近壁RANS、分离区LES）捕捉非定常涡结构与压力脉动；几何采用单因素变量法解耦端板弦宽与纵倾，旋转域含转子及轮毂段、静止域含导管定子及外流，域径5DR、长15DR，入口速度匹配拖曳水池车速、出口静压对应浸深水压，转子转速固定16 rps；网格经粗中细三套（细化比√2）收敛验证，壁面y+均值低于6；水动力经上海船舶运输科学研究所有限公司（SSSRI）192 m拖曳水池MARIN测功器敞水试验校验，误差小于4.5%；声学采用Ffowcs Williams–Hawkings（FW-H）声类比，时间步0.00025 s（上限2000 Hz），参考声压1×10?6 Pa，监测点距转子中心1 m与20 m轴向/径向各12等分。
研究结果部分，4.1节“CLT结构对泵喷推进器水动力性能的影响”通过J=0.4~1.2敞水曲线对比发现：CW系列在J=0.4时转矩系数降幅随宽度减小而增大（CW3约8%），推力同步损失（CW3约11%），J=0.8~1.2效率略升（CW3均约+1%）而J=0.4~0.8略降；CL系列全程转矩微增（CL3最大+4.5%）、推力略降（≤1%）、效率随J增大降幅扩大（CL3最大?5%）。4.2节“CLT结构对泵喷推进器旋涡流场的影响（J=1）”依据间隙与全流场涡量云图指出，TLV强于TSV；CW宽度减小使TLV脱落段核强增、下游 Passage 内核强减、螺旋涡破碎推迟；CL长度增加使端板90°后掠延长叶尖面，TLV轴向伸展缩短、核强增、TSV减弱，尾涡更稳定。4.3节“CLT结构对泵喷推进器脉动压力的影响（J=1）”基于定子前、转子中段、叶尖径向、转子后四截面监测量FFT分析显示，基线叶频112 Hz及谐频明显；CW3使L1/L2高阶叶频谐峰削弱、L3叶频峰最大差0.23；CL系列则使L1处叶频谐峰增强、随长度增大而升高，整体未抑脉动。4.4节“CLT结构对泵喷推进器噪声的影响（J=1）”由FW-H得到声源级指向性：轴向椭圆、径向近圆；CW系列在多数方位低于基线，CW3在1 m-A2处最大?5.7 dB、20 m处峰值约?4 dB；CL系列无显著降噪，CL3在1 m-A4叶频处反高约4 dB。
讨论与结论部分，研究人员指出CW窄端板通过减小TLV轨迹与叶片弦向夹角、削弱TLV对下游叶干扰来抑制压力脉动，从而以低J推力转矩牺牲换取中高J降噪（偶极源主导非空化噪声）；CL长端板虽稳定大尺度涡，但叶尖TLV核强增且向旋转下游甩出，加剧与后继叶及内壁干涉，转矩走高进一步激发负荷脉动，故无降噪收益。结论三条：（1）端板宽度显著作用于水动力，窄化令KT、KQ、η降幅更大；长度主要在高J劣化效率。（2）间隙内TLV主导TSV；CW增叶尖TLV核强而削下游核强，CL稳轴向发展、弱TSV；窄宽延稳涡段，长端板迟涡碎。（3）变宽度抑脉动降噪，CW3在1 m与20 m总声源级最大降5.7 dB与4.0 dB；变长度无显著降噪；轴向指向椭圆、径向近圆。该研究首次将CLT端板用于泵喷转子，为导管推进器叶尖改型提供初步定量指引，但受单因素采样、模型尺度无空化及FW-H不透面假设限制，全尺度量化需后续跨参数组合补充。
