泵类推进器振动和噪声控制机理研究成果

在明确泵喷三维几何形状及其敞水性能曲线后，需要将泵喷与增加尾径比后的星形翼尾部构型SUBOFF潜艇进行推进系统匹配设计，以实现快速性指标。艇-泵系统数值自航模拟时，计算域与艇体阻力曲线预报时一致，全六面体结构化网格空间离散时，网格拓扑与网格节点空间分布规律完全与阻力预报以及敞水性能预报时相同，以确保CFD计算结果可信，如图8.57所示，艇泵系统网格节点总数为1 825万个。

图8.57　星形尾翼SUBOFF潜艇-泵喷推进系统几何形状及其结构化网格空间离散

艇-泵数值自航求解步骤完全与艇-桨系统相同。计算得到低航速6 kn、中航速11.85 kn和高航速16 kn、17.78 kn和20 kn时流经艇体壁面和泵喷叶栅通道的速度流线如图8.58所示，泵喷出流均无显著周向速度分量。量化计算得到不同航速下艇-泵相互作用系数如表8.9所示。可知，与7叶桨B相比，低航速下推力减额系数相当，但中高航速下推力减额系数减小，进流面的有效伴流系数明显增加，相当于船身效率增加，加上泵喷敞水效率更高，则泵喷总的推进效率比7叶桨高，且全航速范围内均是如此。其中，η为泵喷水力效率；ηT为推力效率，其与总推进效率之间的关系为ηTT=ηT（1-t），则航速为6 kn时泵喷推进系统总的推进效率为65.74%，航速为17.78 kn时总推进效率为68.4%，随航速增加略有增加，表现出泵类推进器高速高效的特有属性。同时，随着航速的增加，泵喷的水力效率略有增加，且泵喷出流不均匀度略有减小，表明泵喷叶型对推力载荷的适应性较强，泵喷推进系统的推进性能能够满足设计要求。

图8.58　星形尾翼SUBOFF潜艇-泵喷推进系统数值自航时速度流线

（a）自航航速6 kn；（b）自航航速11.85 kn；（c）自航航速16 kn；（d）自航航速17.78 kn；（e）自航航速20 kn

表8.9　不同航速下“艇-泵”数值自航点及相互作用因子

进一步可视化得到低航速6 kn和高航速17.78 kn时泵喷进流和出流面轴向和周向速度分量分布以及湍流速度脉动量分布如图8.59和图8.60所示。其中，湍流速度脉动量定义为q=。泵喷进流受尾翼构型影响明显，星形翼将原十字形尾翼的四瓣低速区进一步剖分为八瓣，且周向相位角提前约22.5°。依据E1619数值自航条件下非定常力载荷的研究结果，该尾翼构型有利于降低脉动推力系数幅值，进而抑制低频线谱噪声。前置定子叶片能够有效弱化艇尾附体非均匀伴流影响，泵喷出流周向速度分量主要集中于叶根截面处，在保证强度的情况下能够进一步减小其载荷，以抑制毂涡空化产生。

图8.59　星形尾翼SUBOFF潜艇-泵喷数值自航航速为6 kn时泵喷进、出流面特征

（a）泵喷进流面；（b）泵喷转子进流面轴向、周向速度分量及湍流速度脉动量；（c）泵喷转子出流面轴向、周向速度分量及湍流速度脉动量(www.xing528.com)

图8.60　星形尾翼SUBOFF潜艇-泵喷数值自航航速为17.78 kn时泵喷进、出流面特征

（a）泵喷进流面轴向速度分量及湍流速度脉动量；（b）泵喷出流面轴向速度分量及湍流速度脉动量

此外，计算得到航速为6 kn时艇体和导管壁面压力系数以及尾翼涡量场分布如图8.61所示。艇体头部、围壳以及尾翼迎流面均存在驻点，围壳及尾翼四周表现出与马蹄涡系一致的压力线闭合区。围壳根部马蹄涡以及端部的项链形涡对均直接游离至艇体尾翼处，甚至直接影响到泵喷进流面处的涡量汇集。辅翼马蹄涡使得主翼截面通道流动挤压汇集成的主涡分裂为两束小涡，与前述无推进器时艇体星形尾翼在桨盘面处的涡量场特征一致。高航速17.78 kn时涡量场特征同样如此，不随航速增加而改变。

图8.61　星形尾翼SUBOFF潜艇-泵喷数值自航时涡量场分布

（a）自航航速为6 kn时壁面压力及涡量场分布；（b）自航航速为17.78 kn时涡量场分布

鉴于当前泵喷演示验证专项试验中出现的诸多问题，泵喷推进系统设计时尤其要关注非均匀伴流条件下的空化性能校核以及确定空化初生临界航速，这是衡量设计成败以及降噪指标能否实现的关键［58-63］。空化性能校核时，空化模型首选改进Sauer空化模型。

以艇-泵系统数值自航模拟结果为流场初值，引入空化模型，计算域出口边界条件设置为考虑潜深的压力出口。计算结果后处理时，空化形态以水蒸气项体积分数αv=0.1表征。计算得到航速为17.78 kn时，即使潜深为最小潜望水深10 m，空化面积依然为零，无论是艇体壁面还是泵喷均未产生空化。计算得到航速为20 kn、潜深分别为10 m、20 m以及30 m时泵喷叶片空化形态如图8.62所示。可知，空化起始于转子叶片吸力面近叶根截面处，与叶型三元设计时显著降低叶梢截面载荷一致。潜深10 m时，空化面积与桨盘面积的比值为8.52%，出现片空化；当潜深增加至30 m时，该比值锐减至0.52%，达到空泡筒试验时通常采用的小于1%的可视空化初生判定标准，相当于潜深30 m时，空化初生临界航速约为20 kn。

图8.62　航速为20 kn时艇尾泵喷空化形态数值预报

（a）潜深10 m，空化面积3.8×10-3m2；（b）潜深20 m，空化面积2.38×10-5m2

数值计算表明，潜深大于30 m时，全航速0～20 kn范围内艇尾泵喷无空化产生。综合泵喷敞水性能、艇尾泵喷推进性能和空化性能来看，该泵喷水力模型设计较为成功，可以进一步开展辐射噪声试验测量工作。鉴于泵喷转子直径和转速均小于7叶桨B，理论上引入星形尾翼假尾伴流后可以有效抑制泵喷脉动推力系数幅值，较7叶桨直接辐射噪声更低。