周 彬，趙 敏，萬(wàn)德成

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越多地把目光放到海洋這個(gè)巨大的資源和生物的寶庫(kù)上來(lái)。如今，一類新型的深海裝備——水下機(jī)器人，使得人類的視野能夠延伸到極深海域的海底[1]。作為海洋探測(cè)和開(kāi)發(fā)的重要手段，水下機(jī)器人最早主要用于軍事用途，目前在很多民用、科研領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。水下機(jī)器人根據(jù)外形、操縱方式等可以分為很多種類[2]。水下無(wú)人遙控潛水器(ROV)是一種通過(guò)水面遙控進(jìn)行工作的水下機(jī)器人，其在水下運(yùn)動(dòng)和定點(diǎn)作業(yè)需要?jiǎng)恿?，水下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由其搭載的推進(jìn)器提供，其設(shè)計(jì)的好壞將會(huì)影響到潛器的運(yùn)動(dòng)能力和工作效率。近年來(lái)，ROV上開(kāi)始廣泛地應(yīng)用各種導(dǎo)管推進(jìn)器。根據(jù)形狀的不同，導(dǎo)管推進(jìn)器的導(dǎo)管可以分為加速型導(dǎo)管(導(dǎo)管從進(jìn)口處至盤(pán)面處逐漸收窄)和減速型導(dǎo)管(導(dǎo)管從進(jìn)口處至盤(pán)面處逐漸放大)。其中加速型導(dǎo)管可以顯著提高較高負(fù)載、較低航速下的推進(jìn)力。深潛器對(duì)系泊推力要求比較高，因此深潛器上的推進(jìn)器一般選用加速型導(dǎo)管推進(jìn)器[3]。

在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)十二五“勘查取樣ROV系統(tǒng)”項(xiàng)目支持下，上海交通大學(xué)水下工程研究所研制了“海龍三號(hào)”ROV。新一代ROV相比上一代ROV要求更高的性能指標(biāo)，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 兩代ROV主要性能指標(biāo)

為了達(dá)到更高的性能指標(biāo)，要求推進(jìn)器的推力具備更高的性能，“海龍三號(hào)”ROV采用水平四個(gè)矢量布置導(dǎo)管推進(jìn)器、垂向三個(gè)導(dǎo)管推進(jìn)器的推進(jìn)系統(tǒng)布置形式，并研制了相應(yīng)的新型導(dǎo)管推進(jìn)器，ROV外形和推進(jìn)器布置如圖1。

圖1 “海龍三號(hào)”ROV外形和推進(jìn)器布置

導(dǎo)管推進(jìn)器的導(dǎo)管與葉梢之間存在的微小間隙稱為梢隙，梢隙中產(chǎn)生的復(fù)雜流動(dòng)稱為梢隙流動(dòng)(TLV)。梢隙中各種大小的旋渦交替脫落，在渦核低壓區(qū)，當(dāng)壓力下降到低于飽和蒸氣壓時(shí)，將會(huì)發(fā)生空化形成空泡。在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，梢隙渦先于槳葉表面開(kāi)始產(chǎn)生空化[4]，梢隙中形成的渦將導(dǎo)致葉域內(nèi)壓力場(chǎng)的壓力降低，最終產(chǎn)生空化渦[5]，影響螺旋槳的空化性能，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生震動(dòng)、噪音等，空化渦使水流產(chǎn)生空化現(xiàn)象，在嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)槳葉和導(dǎo)管內(nèi)壁產(chǎn)生空蝕破壞[6]。通過(guò)研究梢隙渦的形態(tài)和形成機(jī)理，可以為研究螺旋槳的空化性能提供參考。

螺旋槳在工作時(shí)會(huì)在槳葉葉梢處產(chǎn)生周期性脫落的渦，導(dǎo)管推進(jìn)器的形狀特殊，與普通的推進(jìn)器相比，其梢隙中的渦形狀比較特殊。螺旋槳的設(shè)計(jì)和計(jì)算發(fā)展歷程，主要可以分為兩部分：1)20世紀(jì)50年代以前主要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)Froude和Durand等著名學(xué)者在該領(lǐng)域做出了卓越的貢獻(xiàn)[7]；2)20世紀(jì)50年代以后，越來(lái)越多地開(kāi)始使用數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算；90年代以后，隨著黏性流理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用[8]。

在試驗(yàn)研究中，荷蘭船模水池的No.19A+Ka和No.37+Ka系列最為著名，該系列試驗(yàn)的結(jié)果被繪制成Bp-δ型設(shè)計(jì)圖譜，如今已被廣泛使用。Oweis等[9]將平面粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)應(yīng)用在導(dǎo)管推進(jìn)器梢隙流場(chǎng)的研究中，發(fā)現(xiàn)梢隙流場(chǎng)中瞬時(shí)和時(shí)均渦流存在顯著差異。Taniguchi等[10]研究了螺旋槳轉(zhuǎn)速、盤(pán)面比、螺距比、葉梢間隙等因素對(duì)Kaplan型調(diào)距槳推力的影響。Kim等[11]從對(duì)推進(jìn)器的效率的影響方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為梢隙尺度在對(duì)效率的影響中起著重要的作用——梢隙的寬度越小，導(dǎo)管推進(jìn)器的效率就越高。在國(guó)內(nèi)，張軍等[12]研究了不同進(jìn)速下的導(dǎo)管槳內(nèi)流場(chǎng)，采用PIV技術(shù)研究了流場(chǎng)的特性。

數(shù)值模擬方面，有許多學(xué)者使用各種方法，結(jié)合不同的模型，對(duì)梢隙流動(dòng)的形態(tài)和特性進(jìn)行了細(xì)致的研究。Hong等[13]使用FLUENT軟件，研究了推進(jìn)器槳葉周?chē)h(huán)流的分布，歐禮堅(jiān)等[14]在不同進(jìn)速下對(duì)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行了模擬，研究了黏性流場(chǎng)中的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。沈海云[15]使用FLUENT軟件對(duì)全速正車(chē)、全速倒車(chē)等工況下的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。馬艷等[16]使用多塊混合性網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)某導(dǎo)管推進(jìn)器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了湍流參數(shù)采用公式計(jì)算比經(jīng)驗(yàn)計(jì)算更準(zhǔn)確的結(jié)論，認(rèn)為在現(xiàn)在的研究階段，兩方程模型相對(duì)來(lái)說(shuō)更為準(zhǔn)確。胡健等[17]使用多重參考系研究了JD7704+Ka4-55型導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能，發(fā)現(xiàn)在來(lái)流為斜流的條件下，導(dǎo)管能夠顯著減小推進(jìn)器工作時(shí)產(chǎn)生的推力脈動(dòng)和扭矩脈動(dòng)。Uto[18]釆用了雷諾平均(RANS)和Baldwin-Lomax的組合方法，模擬了螺旋槳的湍流運(yùn)動(dòng)。周軍偉等[19]分析了在敞水中梢泄露渦對(duì)導(dǎo)管槳空化性能和推力造成的影響。Wu等[20]在對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的梢隙泄渦進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)比了RANS和LES兩種方法，認(rèn)為L(zhǎng)ES對(duì)能流通量模擬效果更好，更適合該問(wèn)題的研究?？偠灾?，CFD方法已經(jīng)作為一種成熟的研究方法開(kāi)始促進(jìn)導(dǎo)管推進(jìn)器的研究。

針對(duì)“海龍三號(hào)”ROV導(dǎo)管推進(jìn)器梢隙渦的形成機(jī)理以及不同進(jìn)速下的渦形態(tài)開(kāi)展了數(shù)值模擬研究?；诖鬁u模擬對(duì)導(dǎo)管推進(jìn)器的梢隙流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了較為準(zhǔn)確的水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)比不同類型網(wǎng)格對(duì)梢隙渦的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)切割體網(wǎng)格能夠更好地捕捉到泄渦的細(xì)節(jié)，并結(jié)合梢隙流場(chǎng)的構(gòu)成原理分析了泄渦發(fā)展的過(guò)程，此外還研究了不同進(jìn)速下泄渦的形態(tài)差異。

1 數(shù)值計(jì)算方法

梢隙流動(dòng)發(fā)生在槳梢外部，緊貼導(dǎo)管內(nèi)壁，受到導(dǎo)管的強(qiáng)烈影響，流體黏性的作用在其中起到了重要作用，勢(shì)流方法忽略了流體黏性，用其研究梢隙流動(dòng)并不合理。近年來(lái)，CFD方法也開(kāi)始廣泛應(yīng)用于導(dǎo)管推進(jìn)器的研究中。CFD方法主要可以分為三種[21]：直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)以及雷諾平均(RANS)方法。其中，DNS方法在所有計(jì)算方法中具有最高的準(zhǔn)確性，甚至可以得到試驗(yàn)也無(wú)法測(cè)得的物理量。但是直接數(shù)值模擬對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算資源的要求也是巨大的，往往要求極大的網(wǎng)格量和極小的時(shí)間離散尺度，在實(shí)際工程問(wèn)題中難以應(yīng)用。RANS方法對(duì)控制方程進(jìn)行建模，不需要計(jì)算各種尺度的脈動(dòng)，對(duì)空間的分辨率即網(wǎng)格密度要求比直接數(shù)值模擬低得多，可以在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下大大減少計(jì)算量，但是也導(dǎo)致一些隨機(jī)渦的信息丟失。而LES方法將流動(dòng)劃分為大小不同尺度的量，將大尺度的渦直接模擬出來(lái)，對(duì)于濾去的小渦，通過(guò)引入附加應(yīng)力項(xiàng)加以彌補(bǔ)[22]，本質(zhì)上是一種簡(jiǎn)化的DNS方法。導(dǎo)管推進(jìn)器的梢隙流動(dòng)非常復(fù)雜，不同形狀、不同尺度的渦交錯(cuò)出現(xiàn)，結(jié)合以往學(xué)者的研究結(jié)果，使用LES方法進(jìn)行研究更為適合。

1.1 LES求解模型

在LES計(jì)算中需要經(jīng)過(guò)濾波過(guò)程，首先需要設(shè)定一個(gè)臨界量，以該臨界量為界，流動(dòng)被劃分為大、小兩種尺度。通過(guò)這樣的處理，保留了對(duì)流場(chǎng)影響較大的大渦，保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性；忽略了對(duì)流場(chǎng)影響較小卻廣泛存在的小渦，使得LES能夠用較少的計(jì)算資源完成計(jì)算。具體來(lái)說(shuō)，就是在N-S方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，濾去比臨界量更小的小尺度渦，保留比臨界值更大的大尺度渦。對(duì)于濾去的小尺度渦通過(guò)附加應(yīng)力項(xiàng)替代其影響，而對(duì)于保留下來(lái)的大尺度渦進(jìn)行直接求解，從而得到LES方法需要滿足的控制方程[23]。

過(guò)濾臨界量定義為：

(1)

其中，D為流體區(qū)域，G為濾波函數(shù)，其表達(dá)式為：

(2)

其中，V為控制體所占幾何空間的大小。濾波中使用的臨界值由濾波函數(shù)G決定，則式(1)可以變形為：

(3)

使用上述方法處理N-S方程，可以得到LES方法所滿足的控制方程：

(4)

其中，σij為分子黏性引起的應(yīng)力張量，定義為：

(5)

(6)

公式(1)～(6)中帶有上劃線的，就是經(jīng)過(guò)濾波函數(shù)處理后的量。

1.2 導(dǎo)管推進(jìn)器模型

文中研究的導(dǎo)管推進(jìn)器模型，為勘查作業(yè)型無(wú)人纜控潛水器“海龍三號(hào)”所搭載的推進(jìn)器，該型推進(jìn)器相比上一代ROV推進(jìn)器進(jìn)行了較大改進(jìn)。該新型推進(jìn)器經(jīng)過(guò)水池敞水試驗(yàn)和4 500 m級(jí)海上試驗(yàn)，表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。兩代推進(jìn)器的幾何模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管推進(jìn)器幾何模型

“海龍三號(hào)”導(dǎo)管推進(jìn)器的槳葉參數(shù)如表2所示。

表2 槳葉參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

考慮推進(jìn)器所處工況為系泊狀態(tài)，以及進(jìn)速變化的工作條件，并考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算資源的要求。計(jì)算域設(shè)置為柱狀，計(jì)算域徑向直徑8D，槳前距離12.5D，槳后距離12.5D，其中D表示導(dǎo)管螺旋槳的直徑。

由于計(jì)算應(yīng)用了滑移網(wǎng)格，因此將整體計(jì)算域劃分為兩個(gè)計(jì)算域，包含螺旋槳槳葉部分的旋轉(zhuǎn)域，以及包含外部導(dǎo)管部分的外部靜止域。兩個(gè)域之間進(jìn)行信息傳遞需要通過(guò)一組重疊的界面，即交界面(interface)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)域，為了研究網(wǎng)格類型對(duì)計(jì)算的影響，分別采用Star-CCM+中的多面體網(wǎng)格和切割體網(wǎng)格進(jìn)行兩類不同的網(wǎng)格劃分，多面體網(wǎng)格的網(wǎng)格單元是面數(shù)不定的多面體，具有較好的物面貼合能力，但正交性較差；切割體網(wǎng)格的網(wǎng)格單元均為正六面體，具有較好的正交性，但物面貼合能力和網(wǎng)格過(guò)渡能力較差。外部靜止域幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，使用切割體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣劃分既可以保證網(wǎng)格的質(zhì)量，又可以節(jié)省計(jì)算資源。為了觀察梢隙及梢隙渦泄出區(qū)域的詳細(xì)流場(chǎng)情況，對(duì)梢隙和梢隙渦泄出區(qū)域進(jìn)行了區(qū)域網(wǎng)格加密，并在加密區(qū)和外部區(qū)域之間進(jìn)行了網(wǎng)格過(guò)渡。物面采用15層片狀網(wǎng)格對(duì)邊界層進(jìn)行模擬，該方法要求緊貼在壁面上第一層網(wǎng)格的高度要滿足Y+(第一層網(wǎng)格距壁面高度無(wú)因次量)約束，一般Y+的值應(yīng)該介于0～1之間，本模型選用的Y+為0.3，符合計(jì)算要求。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖3、圖4所示，其中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)約為1 253×104左右，外部靜止區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約為293×104。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格

圖4 槳梢和梢隙中的網(wǎng)格

1.4 邊界條件

使用Star-CCM+軟件進(jìn)行計(jì)算，邊界條件設(shè)置如下：

1)入口(inlet)條件：在計(jì)算系泊工況時(shí)設(shè)置為壓力出口(即保持恒定壓力的開(kāi)放邊界)，可以使流域保持開(kāi)放；在計(jì)算有進(jìn)速的工況時(shí)，設(shè)進(jìn)口條件為速度進(jìn)口，可以保證穩(wěn)定的進(jìn)流速度；

2)出口(outlet)條件：壓力出口；

3)固體表面(導(dǎo)管、槳葉、轂帽等)：均為不可滑移壁面(no-slip wall)。

2 收斂性分析

為了驗(yàn)證計(jì)算的收斂性，需要對(duì)模擬進(jìn)行收斂性分析。收斂性分析需要使用至少三組方案進(jìn)行對(duì)比，在保持其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上僅對(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)設(shè)置三組不同長(zhǎng)度的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行收斂性分析，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定來(lái)流速度為U=0 m/s，槳葉轉(zhuǎn)速r=600 r/min。隨著時(shí)間步長(zhǎng)的的縮短，計(jì)算值應(yīng)趨于收斂。

要進(jìn)行三組計(jì)算結(jié)果的收斂性驗(yàn)證，ITTC[24]建議的收斂比率RG被定義為：

RG=ε32/ε21

(6)

其中，ε21=S2-S1，ε32=S3-S2。S1、S2、S3分別表示長(zhǎng)時(shí)間步長(zhǎng)、中等時(shí)間步長(zhǎng)、短時(shí)間步長(zhǎng)的模擬結(jié)果?；赗G，離散化收斂的狀態(tài)可以分類為：1)單調(diào)收斂，01；4)振蕩發(fā)散，RG<0, |RG|>1。

將推力和扭矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)式(6)計(jì)算得到RG，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 時(shí)間步長(zhǎng)收斂性驗(yàn)證

兩個(gè)指標(biāo)的收斂比率均小于1，且位于單調(diào)收斂的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，證明隨著時(shí)間步長(zhǎng)的縮短，計(jì)算值收斂。時(shí)間步長(zhǎng)小于0.001 s后，再減小時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)提高計(jì)算精度的貢獻(xiàn)可以忽略，因此文中采用0.001 s時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，還需要將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。該型推進(jìn)器在拖曳水池完成了敞水試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速保持600 r/min不變，通過(guò)改變來(lái)流速度調(diào)整進(jìn)速系數(shù)。圖5是對(duì)兩種不同類型網(wǎng)格對(duì)三個(gè)不同進(jìn)速系數(shù)工況的水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果(推力系數(shù)KT和扭矩系數(shù)KQ)。由圖5可以看出，兩種網(wǎng)格都可以較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能。

3.2 兩類計(jì)算網(wǎng)格對(duì)梢隙流動(dòng)模擬的對(duì)比

圖6是兩類網(wǎng)格計(jì)算的梢隙渦和泄渦，通過(guò)對(duì)比兩類網(wǎng)格同一時(shí)刻模擬的結(jié)果，選擇模擬更精細(xì)的模型進(jìn)行后續(xù)分析。時(shí)間選擇第0.8 s時(shí)刻，等值面采用Q準(zhǔn)則(渦量等勢(shì)面)繪制。

圖5 水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 0.8 s時(shí)兩類網(wǎng)格計(jì)算的梢隙渦對(duì)比(Q=5×105 s2)

由圖6可以看出，附著在槳葉上的渦主要存在于槳葉的導(dǎo)邊、槳梢的壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)让撀鋮^(qū)。泄渦主要由兩部分組成：脫落于約4/5弦長(zhǎng)處的一條最主要的渦(主泄渦)，以及流體進(jìn)入梢隙時(shí)分離形成的渦(隨機(jī)小渦)。主泄渦延伸長(zhǎng)度比較遠(yuǎn)，可以延伸至三葉槳的下一個(gè)槳葉范圍內(nèi)，而隨機(jī)小渦延伸長(zhǎng)度比較近，泄出后很快耗散掉，無(wú)法像主泄渦一樣延伸至較遠(yuǎn)的距離。對(duì)于這兩種形態(tài)的泄渦，文中的數(shù)值模型都能夠較好地模擬。但是多面體網(wǎng)格對(duì)于泄出梢隙的渦模擬的連續(xù)性較差，切割體網(wǎng)格能夠更好地捕捉泄出梢隙的隨機(jī)小渦，主要是由于切割體網(wǎng)格均是正交的六面體網(wǎng)格，正交性好，而多面體網(wǎng)格正交性差，所以模擬出的渦的連續(xù)性較差。根據(jù)以上的分析結(jié)論，發(fā)現(xiàn)切割體網(wǎng)格相比多面體網(wǎng)格，對(duì)梢隙渦以及泄出區(qū)域泄渦的模擬更加全面、精細(xì)，得到的渦結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)信息更加豐富，更適用于研究導(dǎo)管推進(jìn)器梢隙流動(dòng)特性。因此使用切割體網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果進(jìn)行流場(chǎng)分析。

3.3 梢隙泄渦形成機(jī)理

系泊工況下，沿槳葉弦長(zhǎng)方向延伸的不同位置處壓力分布如圖7所示。從圖7中可以看出，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管推進(jìn)器梢隙流動(dòng)形成的原因，主要是吸力面與壓力面之間的壓差。從槳梢臨近導(dǎo)邊位置泄出了一條較為粗壯的泄渦，若以槳葉隨邊為弦長(zhǎng)起始處，約在4/5弦長(zhǎng)處渦核的壓力降到最低，從而渦從槳葉上脫落，脫落的渦開(kāi)始向槳葉后方延伸。在槳葉后方，吸力面與壓力面形成了壓力變化劇烈的交界區(qū)域，脫落的渦進(jìn)入這個(gè)區(qū)域后與壓力劇烈變化的流體相混合。圖7中所示的低壓區(qū)位置與圖6所示主泄渦位置一致。

圖7 0.8 s時(shí)沿槳葉弦長(zhǎng)方向壓力分布

圖8 0.8 s時(shí)梢隙速度矢量圖

由圖8所示，三個(gè)典型弦長(zhǎng)處(4/5弦長(zhǎng)：泄渦開(kāi)始卷起；1/2弦長(zhǎng)：泄渦已脫落；1/4弦長(zhǎng)：泄渦逐漸遠(yuǎn)離)的速度矢量圖揭示了泄渦起始時(shí)，梢隙內(nèi)部及其前部區(qū)域的流動(dòng)機(jī)理，以及渦脫離梢隙后逐漸向槳葉后方延伸的過(guò)程。槳葉兩側(cè)強(qiáng)烈的壓差，驅(qū)使流體通過(guò)梢隙，從高壓區(qū)進(jìn)入低壓區(qū)，壓差構(gòu)成了泄渦形成的首要驅(qū)動(dòng)力。梢隙前方附近的流體在壓力側(cè)高壓的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入梢隙，進(jìn)入梢隙后由于流域形狀突然改變，致使流體發(fā)生分離，在梢隙中卷起了分離渦。進(jìn)一步地，流體從梢隙中流出后進(jìn)入吸力面?zhèn)龋_(kāi)始與該處的來(lái)流相互作用，形成了槳葉前方較長(zhǎng)的泄渦，隨著運(yùn)動(dòng)的流體被輸運(yùn)到遠(yuǎn)離槳葉的后方。

3.4 進(jìn)速對(duì)泄渦形態(tài)的影響

基于LES計(jì)算的結(jié)果，繪制了0.8 s時(shí)不同進(jìn)速下的梢隙泄渦等值面圖，如圖9所示。圖9中圓圈所示位置為主泄渦發(fā)生位置(以泄渦開(kāi)始脫離槳梢處為主泄渦發(fā)生位置)；梢隙周?chē)臏u管沿周向延伸，直至最后耗散，受進(jìn)速等因素的影響，這些渦在軸向上呈現(xiàn)不同的分布，圖中右側(cè)括號(hào)所示為梢隙周?chē)鷾u管沿軸向分布的范圍。L表示從槳葉隨邊至導(dǎo)邊的距離，D為螺旋槳直徑。由圖可以看出，當(dāng)在低進(jìn)速時(shí)，梢隙周?chē)鷾u管沿軸向分布范圍較大，而增加進(jìn)速時(shí)，梢隙周?chē)鷾u管沿軸向分布范圍明顯減小，對(duì)比J=0和J=0.406 7兩個(gè)工況，渦管軸向分布范圍減少了33%。此外，隨著進(jìn)速增大，在J=0時(shí)主泄渦發(fā)生位置約在弦長(zhǎng)4/5處，而J=0.406 7時(shí)發(fā)生位置約在弦長(zhǎng)3/5處，說(shuō)明主泄渦發(fā)生的位置隨著進(jìn)速增大發(fā)生了延后，而泄渦泄出后發(fā)展、延伸的方式是相同的。

圖9 0.8 s時(shí)不同進(jìn)速系數(shù)下梢隙流動(dòng)的渦形態(tài)

圖10 0.8 s時(shí)不同進(jìn)速系數(shù)下泄出小渦的形態(tài)

圖10表現(xiàn)的是不同進(jìn)速下泄出小渦的形態(tài)，圖中方框標(biāo)出了泄出的小渦，這些渦并非起始于貼近導(dǎo)邊的位置，而是從接近隨邊的位置或槳梢中部位置起始，其產(chǎn)生機(jī)理與主泄渦類似，但其形態(tài)受進(jìn)速等因素的影響而有所不同。從圖中可以看出，隨著進(jìn)速的增大，泄出的小渦形態(tài)發(fā)生了較大的變化。從一開(kāi)始可以延伸至與主泄渦合并，變化至逐漸脫離主泄渦的影響。結(jié)合主泄渦的變化，可以看出低進(jìn)速下泄渦現(xiàn)象比較明顯，泄出的渦延伸距離較長(zhǎng)，數(shù)量也比較多，而高進(jìn)速下泄渦延伸長(zhǎng)度較短，數(shù)量也比較少。此外，結(jié)合圖9也可以看出，增加進(jìn)速時(shí)，梢隙周?chē)鷾u管沿軸向分布范圍明顯減小，這與圖9所展現(xiàn)出來(lái)的結(jié)論是一致的。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于LES方法，開(kāi)展了“海龍三號(hào)”ROV導(dǎo)管推進(jìn)器系泊工況梢隙流動(dòng)的數(shù)值研究，通過(guò)進(jìn)行收斂性分析，并將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的計(jì)算準(zhǔn)確性。此外，還對(duì)不同進(jìn)速下梢隙渦的形態(tài)進(jìn)行了分析，主要得出如下結(jié)論：

1)在同樣的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格分布下，兩種非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，但切割體網(wǎng)格相比多面體網(wǎng)格能更好地捕捉梢隙泄渦的結(jié)構(gòu)；

2)導(dǎo)管推進(jìn)器梢隙存在的渦主要是壓力面流體進(jìn)入梢隙形成的分離渦，此外在吸力面梢隙附近區(qū)域還存在脫落的泄渦，葉面兩側(cè)強(qiáng)烈的壓差是梢隙渦形成的首要驅(qū)動(dòng)力，泄渦主要由一條脫落于約4/5弦長(zhǎng)的主泄渦以及流體進(jìn)入梢隙時(shí)分離形成的隨機(jī)小渦組成；

3)系泊狀態(tài)下，主泄渦發(fā)生的位置約在4/5弦長(zhǎng)處，隨著進(jìn)速系數(shù)增大，梢隙周向的渦管軸向分布范圍減小，主泄渦發(fā)生位置延后，泄出渦的長(zhǎng)度和數(shù)量都有所減少。

由于ROV上的推進(jìn)器在工作時(shí)往往是多個(gè)槳同時(shí)運(yùn)行，考慮到在極近的距離下各個(gè)槳之間存在明顯的干擾，對(duì)ROV工作時(shí)推進(jìn)性能的研究不能局限于單槳研究，未來(lái)還有待于開(kāi)展多槳干擾方面的相關(guān)研究。