【数值与实验分析】某型潜艇螺旋桨尾流特性
前 言
采用实验和计算方法研究了潜艇螺旋桨在开阔水域中的性能和流体动力学。使用激光多普勒测速仪（LDV）测量流速，并使用大涡模拟（LES）计算流速。尾流动力学主要通过研究在三种加载条件下，尾流的三个横向平面上的速度场进行了研究。实验结果也被用来验证最重要的流动特征的模拟准确性。
01 螺旋桨模型
螺旋桨是由INSEAN设计的7叶片螺旋桨型号E1619(如图1)。该模型是在一块铝合金'avional'上建造的，并使用6自由度的CMM进行了检查，外皮被黑色阳极氧化以减少在测试过程中被激光束反射。
图1 INSEAN E1619螺旋桨的几何形状
02 计算方法
FOI使用开源库OpenFOAM，控制方程的离散是基于有限体积法（FVM）。本研究中使用FOI求解器实现了Schumann（1975）的LES模型。在无滑移条件下，边界处采用基于壁面定律的壁面建模方法。方程在旋转网格上求解，即方程没有转换到旋转参照系。
使用的圆柱形计算域为：
叶片周围的网格如图2，构建的两个计算网格分别为2.6和4.5 Mcell (1 Mcell =106cells)。计算域的主体部分由四面体单元网格划分，在边界层中插入了许多棱柱型单元层。
图2 在刀片上及周围的网格
03 结果分析
（1）性能特点
对螺旋桨敞水的性能特性进行了实验和数值分析。实验在INSEAN拖水池N.1（即长470m，宽13.5m，深6.5m），使用Cussons R46螺旋桨专用试验台，最大推力700N，最大扭矩40Nm，最大转速2500rpm，平均叶片雷诺数(参考70%半径处的截面)约为230000。采用两种不同网格密度的LES进行CFD分析，分别为2.5Mcell和4Mcell单元，推进比为J=0.74和J=0.85。如图3，数值模拟很好地体现了推进比两值处的螺旋桨推力和扭矩系数。
图3 螺旋桨性能特征
（2）尾流演化
考虑了x=0.17R、x=0.58R和x=R三种情况下螺旋桨尾流的平均速度和脉动速度沿着三个截面的分布，对螺旋桨尾流的演化进行了分析。通过分析前进比J=0.65、J=0.74和J=0.85时的速度场，研究了螺旋桨载荷条件对尾流特性的影响。
04 总结
（1）研究了在开放水域运行的潜艇螺旋桨的尾流演化和不稳定性问题。对LDV相位采样技术的速度测量和LES速度场/压力场进行了数值模拟。
（2）重点分析了螺旋桨尾迹在近场的典型特征(流管收缩、卷升等)以及载荷条件对尾迹变形、湍流扩散和不稳定起始机制的影响。
（3）流场的LES预测结果与LDV测量结果的比较表明，在推力和扭矩系数、位置和一般尾迹强度方面都有很好的一致性。
END
参考文献：Felice F D, Felli M, Liefvendahl M, et al. Numerical and experimental analysis of the wake behavior of a generic submarine propeller[J]. 2022.
文章来源：Opatiya欧帕提亚
