Chinese Journal of Ship Research
自主式水下机器人水下对接技术综述
3.2 对转桨敞水性能计算
4 634 0.7R敞水计算单元总数约为 万，桨叶2.38×106 ~ 2.57×106，桨叶表面处雷诺数范围为 y+ 210。分别采用准定常和非定常方的平均值约为法模拟前、后桨之间的相互作用，其中准定常方法用于模拟桨叶旋转过程中某一瞬间的流动，而非定常方法则是在时域中模拟桨叶旋转过程中的流12 13动。图 和图 所示分别为实尺度对转桨敞水RANS性能的 计算模型和计算结果，其中非定常方法模拟的结果为桨叶旋转一周的平均值，图中扭矩系数KQ的第2 0下标 表示敞水，以与后文中13的自航数据相区别。从图 中可以看出，采用准定常方法与非定常方法模拟的敞水性能结果非常1%以内。接近，差值在 13 RANS图 对转桨实尺度敞水性能 计算结果Fig.13 RANS-simulated open water performance of the CRP in full scale
3.3 自航计算结果
自航计算在设计航速下进行，计算单元总数4 827 12.69×107，壁面为 万，航行体雷诺数为 y+ 的50。分别采用准定常和非定常方法平均值约为 1.2进行计算，自航转速根据 节所述方法确定。14 RANS图 所示为自航的 计算模型。为了节约计算时间，非定常计算采用准定常计算得到的自航15转速及流场作为初始值。图 所示为非定常计算的轴向力收敛历程。图中，KQBF 和 KQBA 分别为前、后桨的扭矩系数。其中推力系数和扭矩系 0.2%与 0.1%，数的脉动幅值分别为各自平均值的2.5%而 C 的脉动幅值则约为平均值的 。C 的ts ts脉动主要源于由桨叶尾流引起的航行体尾端面压力脉动。 自航的非定常与准定常计算结果间的比较见6，表中 Ns表 为航行体推力和阻力平衡时前、后桨的转速（两者相等）。由于航行体伴流不均匀性的影响，自航非定常计算与准定常计算结果间的差别比敞水情况下的大，主要表现为非定常计算的后桨负荷比准定常的高。从理论上讲，非定常计算模型更接近于物理实际，因此在前、后桨扭矩平衡要求较高的设计场合，采用非定常计算相对可靠。 16图 所示为自航状态基于Q 准则的尾部涡流形态（准定常结果）。从图中可以看出，在桨叶边缘、附体的尾缘和航行体尾端面均出现了明显
的涡流，较合理地反映了桨叶对周围流场的扰动。由于前、后桨旋转域间交界面上的网格无法做到相同，因此前桨尾涡在进入后桨域后因网格耗散几乎消失了。 17 0.05图 所示为在尾端面下游 倍前桨直径处，横截面内切向速度沿半径的分布。其中，切向速度为沿圆周线的平均值，并用当地半径桨叶的旋转线速度进行无量纲化。所谓当地半径，是指在航行体中纵剖面上，将通过前、后桨盘半径外端点的线段延长到该纵向位置，线段终点与航行体17轴线的距离。图 中的横坐标为径向相对坐标2r/DF，其中 为径向坐标值。0.65R r 至叶梢的切向速度几乎为零，但内半径的切向速度仍有残留。总体来看，在设计航速下，该航行体尾流基本没有旋转，表明前、后桨的扭矩平衡较好。 17图 设计航速下航行体下游切向速度计算结果Fig.17 Computed tangential flow velocity distribution behind the underwater vehicle at design speed
3.4 自航因子分析
综合阻力、敞水及自航计算结果，采用等推力7法进行自航因子分析，结果如表 所示。表中：J0 13为根据 K 在图 对应的推力系数曲线上插值得T到的进速系数； η0 为 J0 所对应的效率曲线上的 2 B值；K 的第 下标 表示自航状态，用于与敞水Q 0状态的 相区别；η 为相对旋转效率；η 为推进R D F A效率；下标 和 分别表示前桨和后桨。 分析比较表明： 1 ）自航因子计算值处于合理的范围。参考文献［15］，水下航行体的伴流分数 w 和推力减额1-t 0.10~0.25 0.82~0.90，系数（ ）的范围分别为 和本文中航行体的计算结果也处于此范围内。2 ）前桨的伴流分数高、后桨的伴流分数低，分析原因认为主要为：一是前桨更靠近尾附体，附体的尾流速度亏缺量更大；二是前、后桨毂径之比1.31，而直径之比仅为1.06，这就意味着前桨盘为面有较多的面积处于桨毂边界层中。此外，桨叶的抽吸作用会导致桨盘面处的实效伴流低于标称伴流，如果这种作用在桨盘前较弱、桨盘后较强，也会成为原因之一，不过该问题还有待进一步的研究。3 ）推进因子及推进效率的准定常与非定常2%以内。若采用准定常计计算结果间的误差在算方法得到的推力减额较低、推进效率较高，则有可能导致设计桨偏重，预报的航速偏高。
4结论
RANS本文通过求解 方程，对采用对转桨推进的高速水下航行体开展了实尺度自航计算与分析研究。通过与模型试验结果的比较，验证了在航行体阻力和对转桨敞水性能方面，采用本文方法计算精度良好；间接的验证及定性分析表明，实尺度阻力和敞水的计算结果合理、计算方法可靠，
但实尺度自航计算仍有待验证。对某航行体实尺度的自航计算与分析表明： 1）采用准定常和非定常方法计算得到的推进因子其数值比较接近，也在合理范围内，可望为高速水下航行体对转桨设计提供较可靠的输入，从而提高设计精度、减少模型试验，缩短设计周期。2）在自航模拟中，准定常计算方法具有精度合理、计算量小的优点，比较适合工程应用；但当航速预报精度以及前、后桨的扭矩平衡精度要求较高时，采用非定常计算方法更合理。
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