导管螺旋桨梢涡被动控制技术及机理研究

The tip vortex cavitation in ducted propeller has severely restricted performance improvement of the propeller. The researches have found that a weaker tip vortex will lead to cavitation delay. By preliminary test, it has been proved that some passive control structures installed on internal wall of the duct were useful to restrain development of the tip vortexes. In this research, the design method and the flow mechanism of the passive control structures will be studied. Firstly, the tip vortex characteristic at different design parameters of the ducted propeller is comprehensively analyzed by numerical simulation and experimental validation. The ducted propeller with representative tip vortex characteristic will be selected as a research subject. And then, the design parameters of the passive control constructions will be numerically optimized and experimentally tested. By dimensional analysis of the design parameters and tip vortex intensity, the design method of the passive control constructions will be developed. At last, the effects of passive control constructions on ducted propeller geometric features, tip flow constructions and tip hydrodynamic parameters will be discussed, and so do the effects of these factors on tip vortex intensity. By the discussion, the passive control mechanism will be discovered. This research will be not only suitable for ducted propeller, but also the hydrodynamic impeller with a similar structure.

在导管螺旋桨中，梢涡引起的空化严重制约了其性能的提升。已有研究表明，较弱的梢涡能够推迟空化的发生。申请人的初步探索发现，通过在导管内壁安装被动控制结构能够明显的削弱梢涡。本课题将以此为出发点，深入研究这些梢涡被动控制结构的设计方法与流动机理。首先通过数值模拟与实验验证全面分析了导管螺旋桨的多个设计参数对梢涡特征的影响，并选取其中具有典型梢涡特征的导管螺旋桨作为研究对象；然后对多种被动控制结构的设计参数进行了数值优化与实验验证，通过对设计参数与梢涡强度的无量纲分析，确定被动控制结构的设计方法；最后，通过分析被动控制结构对导管螺旋桨局部几何结构特征、叶梢流场结构特征及流场参数分布特征的影响，以及这些特征对梢涡强度的影响，探讨梢涡被动控制技术的工作机理。本课题的研究成果将不仅适用于导管螺旋桨，也能为类似水动力叶轮机的流动控制研究提供理论与实验依据。

导管螺旋桨在工程应用中极易受空化影响而造成其推进性能的下降，伴随产生强烈的噪声、桨叶或导管壁面的剥蚀等现象。目前的研究表明，空化首先发生在桨叶梢部，并且主要是由梢涡所引起，因此本报告首先分析了梢涡空化机制，结果发现，螺距比增大，叶梢泄露涡逐渐远离桨叶吸力面，且涡核空化数降低；当盘面比增大，叶梢泄露涡的轨迹基本不变化，涡核空化数提高。叶梢泄露流通过与叶梢泄露涡之间的流动剪切作用影响叶梢泄露涡的发展；同时，其流速受到叶梢负荷的影响，负荷越高的位置，叶梢泄露流的速度也越高。而后尝试导管内壁凹槽式设计方法改善空化，但效果不理想。而梢部射流的方法对抑制空化起到了明显的作用，比较不同喷射速度，发现速度越高，越能有效提高泄漏涡核压强，速度足够高甚至可以“吹掉”涡核；研究不同喷射间隙高度发现，间隙越高，越能有效提高泄漏涡核压强，但由于会降低了叶梢更大区域的载荷，降低了桨叶推力；喷射角度的研究表明，轻微的正向预旋对推迟叶梢空化有利。最后基于叶珊理论设计了一台对转螺旋桨，结果表明相比单转子桨，不仅提高了推进效率，还使桨叶表面压力分布均匀，改善了其空化性能。