非均勻伴流中復(fù)合材料螺旋槳非定常空化流固耦合研究

張 晶，張晨星，王 惠，梁欣欣，吳 欽

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

船用螺旋槳大多采用錳-鎳-鋁-銅/青銅（MAB、NAB）合金制成，雖然屈服強(qiáng)度高，可靠性較好，但存在因阻尼性能差而易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲、易空蝕和易疲勞破壞等問(wèn)題，直接限制其服役壽命及推進(jìn)性能[1-3]。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減振性好和性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，已在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。近年來(lái)，利用先進(jìn)復(fù)合材料研制性能優(yōu)異的新型船用螺旋槳備受關(guān)注[6]。

與可忽略水彈性響應(yīng)的剛性金屬螺旋槳不同，針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的研究必須考慮槳葉與流體之間顯著的流固耦合效應(yīng)[7-9]。然而，目前關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳的研究多是基于CFD 對(duì)其敞水性能和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算分析，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的瞬態(tài)雙向流固耦合及空化水動(dòng)力特性的研究非常少[10-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流固耦合算法進(jìn)行了深入研究，建立了兩種經(jīng)典的算法：完全耦合法和分步耦合法。其中完全耦合法也稱(chēng)整體求解法，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)建立統(tǒng)一的耦合方程，在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)流體域和結(jié)構(gòu)域中所有的未知量同時(shí)進(jìn)行求解；分步耦合法則是分別對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)選擇合適的數(shù)值算法進(jìn)行獨(dú)立求解，再通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞直至獲得收斂解。按照耦合的緊密程度，可分為松耦合算法和緊耦合算法：松耦合算法是指在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，按順序先求解流場(chǎng)，接著通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行水動(dòng)力信息傳遞，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)有限元計(jì)算；緊耦合算法的流程與松耦合算法相似，兩者的區(qū)別在于緊耦合算法在求解完結(jié)構(gòu)場(chǎng)后的時(shí)間步內(nèi)添加子迭代步，對(duì)每一子迭代步的計(jì)算結(jié)果都進(jìn)行收斂性判斷，使得數(shù)值結(jié)果更為準(zhǔn)確。吳欽等[14]基于完全耦合法對(duì)NACA 0009 水翼的流固耦合特性進(jìn)行了數(shù)值研究，揭示了流體與結(jié)構(gòu)的慣性作用對(duì)水彈性響應(yīng)的影響規(guī)律；Ryzhakov等[15]應(yīng)用完全耦合法求解柔性結(jié)構(gòu)與流體間的相互耦合，結(jié)果表明該算法可以有效減小附加質(zhì)量效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響。然而在工程領(lǐng)域中，大型且復(fù)雜的流固耦合系統(tǒng)往往局限于計(jì)算資源與時(shí)效而難以采用完全耦合法進(jìn)行求解，因此分步耦合法得到了更為廣泛的應(yīng)用[16-17]，即分別對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)選擇合適的數(shù)值算法進(jìn)行獨(dú)立求解，再通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞直至獲得耦合收斂解。Ducoin等[18]利用分步松耦合算法研究了繞彈性水翼流動(dòng)的水彈性響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果表明在流場(chǎng)作用下彈性水翼發(fā)生繞彈性軸順時(shí)針?lè)较虻呐まD(zhuǎn)變形導(dǎo)致有效攻角增大，同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形加速了流場(chǎng)轉(zhuǎn)捩和失速現(xiàn)象的發(fā)生；Hu等[19]基于分步緊耦合算法針對(duì)彈性水翼分析了流體載荷、水動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)變形間的相互作用；陳倩等[20]采用分步緊耦合算法研究了NACA 0009 復(fù)合材料水翼的結(jié)構(gòu)變形特性和強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料水翼的尖端扭轉(zhuǎn)角隨鋪層角的增大而減小，并提出無(wú)量綱扭轉(zhuǎn)角和無(wú)量綱位移來(lái)表達(dá)復(fù)合材料的彎扭耦合特性。

近年來(lái)，隨著海洋工程等領(lǐng)域的迫切需求，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注非定?？栈鞴恬詈系挠?jì)算與研究。陳倩[21]對(duì)NACA 66 水翼建立非定常空化流固耦合數(shù)值計(jì)算方法，開(kāi)展了典型空化和不同云狀空化非定常流動(dòng)機(jī)制的空化流固耦合研究，揭示了典型空化階段及不同云狀空化非定常流動(dòng)機(jī)制的空化演變規(guī)律及結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)；胡世良[22]建立了三維非定常空化流動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算平臺(tái)，并對(duì)彈性水翼的空化繞流特性進(jìn)行研究，基于分步緊耦合算法分析了流場(chǎng)載荷作用下彈性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及其對(duì)空化流的影響；Zhang[23]開(kāi)展了基于空化流固耦合的誘導(dǎo)輪流激振動(dòng)特性數(shù)值計(jì)算，此外還對(duì)大側(cè)斜復(fù)合材料螺旋槳的敞水性能及結(jié)構(gòu)響應(yīng)做了一定的基礎(chǔ)研究，并基于該研究結(jié)果提出了一種有效的預(yù)變形設(shè)計(jì)方法，提高了復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)工況的推進(jìn)效率[24-25]；張宏磊[26]基于CFD耦合FEM 方法，結(jié)合MATLAB 的幾何重構(gòu)程序建立了復(fù)合材料螺旋槳空泡數(shù)值計(jì)算方法，完成了空化工況下復(fù)合材料螺旋槳的流固耦合計(jì)算，研究了不同工況、不同空泡數(shù)下復(fù)合材料螺旋槳的空泡水動(dòng)力性能。

本文在傳統(tǒng)金屬螺旋槳計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，建立復(fù)合材料螺旋槳非定常空化流固耦合數(shù)值計(jì)算方法，分析復(fù)合材料螺旋槳在非均勻伴流中的非定?？栈畡?dòng)力性能及槳葉結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)比復(fù)合材料和剛性螺旋槳的葉梢空泡演化過(guò)程及空化特性的不同，揭示因復(fù)合材料的應(yīng)用使螺旋槳推進(jìn)效率得以提高、葉梢空化得以抑制的機(jī)理，對(duì)改善螺旋槳空泡性能及提高船舶航行穩(wěn)定性具有一定參考價(jià)值。

1 非定?？栈鞴恬詈蠑?shù)值計(jì)算方法

1.1 復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)有限元模型

本文以日本Seiun-Maru 船用大側(cè)斜模型螺旋槳（M-HSP）為研究對(duì)象，其幾何參數(shù)如表1 所示。以碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作為螺旋槳結(jié)構(gòu)有限元模型的工程材料，材料參數(shù)如表2所示。纖維鋪層方式為[30°5/60°5/60°5/15°5/15°5]s，如圖1所示，以從螺旋槳導(dǎo)邊指向隨邊為纖維0°鋪層參考方向。由于水動(dòng)力載荷壓力梯度較大且具有非線(xiàn)性特征，故采用三維20 節(jié)點(diǎn)SOLID 186 單元對(duì)復(fù)合材料槳葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度為1050 r/min，槳葉根部為固支約束，槳葉表面設(shè)置為流固耦合交界面，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)場(chǎng)與流場(chǎng)之間力和位移的數(shù)據(jù)傳遞。復(fù)合材料螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到水動(dòng)力載荷和離心力作用而產(chǎn)生變形，變形后的槳葉將改變螺旋槳周?chē)鲌?chǎng)，同時(shí)流場(chǎng)載荷的變化又將再次改變槳葉結(jié)構(gòu)的變形。將槳葉結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行離散：

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of M-HSP

表2 碳纖維復(fù)合材料參數(shù)Tab.2 Properties of carbon fiber

圖1 復(fù)合材料螺旋槳有限元模型Fig.1 Finite element model of the composite material propeller

1.2 復(fù)合材料螺旋槳外流場(chǎng)數(shù)值模型

外流場(chǎng)計(jì)算域分為靜止域與旋轉(zhuǎn)域兩部分，具體尺寸如圖2 所示。在流域入口端設(shè)置長(zhǎng)0.8D（D為螺旋槳直徑）的靜止域來(lái)充分模擬船尾流場(chǎng)以保證計(jì)算準(zhǔn)確性[27]。入口來(lái)流條件采用實(shí)驗(yàn)獲得的非均勻尾流速度場(chǎng)分布[28]，出口定義為壓力出口，槳葉和槳轂設(shè)置為無(wú)滑移壁面，靜止域和旋轉(zhuǎn)域間采用滑移網(wǎng)格技術(shù)Transient Rotor Stator 模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜交界面連接，旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速與結(jié)構(gòu)場(chǎng)保持一致。為精確捕捉葉片附近壓力脈動(dòng)和槳葉負(fù)載，在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)部螺旋槳周?chē)霃綖?.75D的小圓柱體域，如圖3 所示，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并作加密處理，靜止域與旋轉(zhuǎn)外域均采用六面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。針對(duì)空化流動(dòng)的計(jì)算，采用均相流模型進(jìn)行求解，其中連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為

圖2 外流域及邊界條件Fig.2 Fluid domain and boundary conditions

圖3 槳葉附近網(wǎng)格Fig.3 Grids near blades

式中，下標(biāo)i、j代表坐標(biāo)方向，u為流場(chǎng)速度，p為流場(chǎng)壓力，ρm為混合介質(zhì)密度，μm為混合介質(zhì)的動(dòng)力粘性系數(shù)，μt為湍流粘性系數(shù)。其中混合項(xiàng)的介質(zhì)密度ρm和介質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)μm的定義分別為

式中，ρl和ρv分別為液相和汽相流體的密度，αl和αv分別為液相和汽相的體積分?jǐn)?shù)，μl和μv分別為液相和汽相流體的運(yùn)動(dòng)粘度。此外，計(jì)算采用k-ωSST湍流模型和Kubota空化模型，具體方程見(jiàn)文獻(xiàn)[29]。

1.3 雙向流固耦合數(shù)值計(jì)算方法

基于ANSYS 平臺(tái)的System Coupling 模塊，采用緊耦合算法來(lái)計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳外流場(chǎng)與槳葉結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)傳遞和耦合效應(yīng)。圖4 給出了所用雙向流固耦合算法(Bi-FSI)的示意圖，其中整個(gè)瞬態(tài)求解過(guò)程由多個(gè)時(shí)間步（Time Step 1，2，…，i）組成，在每一時(shí)間步內(nèi)，流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行交錯(cuò)迭代（Stagger）計(jì)算，每一次交錯(cuò)迭代計(jì)算中包括多個(gè)子迭代步（Iteration Step 1，2，…，j）計(jì)算，每一子迭代步中進(jìn)行一次流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間力（Force）和位移（Displacement）的數(shù)據(jù)傳遞。在流場(chǎng)或結(jié)構(gòu)場(chǎng)的單獨(dú)求解過(guò)程中，根據(jù)單元類(lèi)型、求解方法、載荷輸入等步驟完成各物理場(chǎng)求解（Field Solution）。此外在流固交界面上，流體和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（τ）、位移（d）和其他變量應(yīng)相等或守恒，在流體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間采用Conservative插值算法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，收斂目標(biāo)值均設(shè)置為0.01。

圖4 流固耦合計(jì)算方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of FSI method

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證螺旋槳非定?？栈瘮?shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，對(duì)比了典型空化工況下（J=0.789，σ=2.99）剛性螺旋槳在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)數(shù)值計(jì)算的推力系數(shù)KT-HSP 及扭矩系數(shù)10KQ-HSP 和實(shí)驗(yàn)測(cè)量[30]的KT-Exp 及10KQ-Exp，如圖5 所示。由圖可以明顯地觀察到五個(gè)正弦峰，與螺旋槳五個(gè)槳葉依次進(jìn)入高伴流區(qū)相對(duì)應(yīng)。圖中還給出了數(shù)值結(jié)果時(shí)均值與實(shí)驗(yàn)值間的誤差分別為5.42%和1.56%，故所用數(shù)值計(jì)算方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該螺旋槳的空化水動(dòng)力性能。

圖5 一個(gè)周期內(nèi)螺旋槳推力系數(shù)及扭矩系數(shù)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比Fig.5 Comparison of thrust coefficients and torque coefficients with experiment in one cycle

空泡形態(tài)的模擬精度是驗(yàn)證非定?？栈瘮?shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確性不可或缺的一部分，如圖6所示，將仿真得到的槳葉處在不同位置時(shí)葉梢空泡的演化過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其中以水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為10%的等值面來(lái)表征空泡形態(tài)。由圖可知，葉梢空泡從導(dǎo)邊開(kāi)始初生，隨后沿導(dǎo)邊向葉梢生長(zhǎng)且空泡體積不斷膨脹，逐漸在葉梢形成梢渦空化。數(shù)值模擬獲得的空泡形態(tài)發(fā)展過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

圖6 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算空泡形態(tài)的對(duì)比Fig.6 Comparison of experimental and numerical bubble shapes

為了驗(yàn)證空化工況下捕捉壓力脈動(dòng)的準(zhǔn)確性，對(duì)螺旋槳上方的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P1、C、S1）進(jìn)行了壓力脈動(dòng)計(jì)算，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體坐標(biāo)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)C為例，如圖7（a）所示，壓力脈動(dòng)分量主要集中在各階主葉頻上(一階主葉頻f=nZ=87.5 Hz)，這是由于壓力脈動(dòng)的最大公共周期為槳葉通過(guò)高伴流區(qū)的頻率。其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)也采用相同的處理方法，得到圖7（b）所示的一階主葉頻壓力脈動(dòng)幅值與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一階主葉頻壓力脈動(dòng)幅值大小及其分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)基本保持一致。

圖7 壓力脈動(dòng)捕捉準(zhǔn)確性驗(yàn)證Fig.7 Accuracy verification of pressure fluctuation capture

2.2 復(fù)合材料螺旋槳瞬態(tài)空泡演化及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

由于高伴流區(qū)的存在，如圖8 所示，復(fù)合材料與剛性金屬螺旋槳葉梢空泡的演化分為四個(gè)階段：（a）空泡于導(dǎo)邊初生；（b）沿導(dǎo)邊向葉梢生長(zhǎng)；（c）梢渦空泡形成；（d）急劇收縮后潰滅。圖中以紅色高亮展示葉梢空泡形態(tài)，藍(lán)色為復(fù)合材料槳葉的總變形量。為了直觀展示螺旋槳葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圖中還給出了不同階段流線(xiàn)的分布。如圖8（a）所示，隨著槳葉進(jìn)入高伴流區(qū)，空化首先在槳葉導(dǎo)邊初生并發(fā)展起來(lái)，細(xì)條狀空泡附著在導(dǎo)邊中上段，槳葉總變形沿導(dǎo)邊和隨邊從葉根到葉梢呈帶狀階梯型分布，且變形量逐漸遞增，葉梢的總變形最大，槳葉中下大部區(qū)域幾乎沒(méi)有變形。隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)，流線(xiàn)大部分處于吸力面?zhèn)?，如圖8（b）所示，細(xì)條狀空泡沿導(dǎo)邊向葉梢生長(zhǎng)，逐漸變厚變長(zhǎng)，除帶空泡槳葉外其余槳葉最大變形量均減小。直到發(fā)展至圖8（c）時(shí)刻，槳葉旋轉(zhuǎn)到伴流峰附近，條狀空泡到達(dá)葉梢形成明顯的梢渦空泡，同時(shí)空泡體積達(dá)到最大，葉梢變形量也達(dá)到最大。之后隨著槳葉逐漸離開(kāi)高伴流區(qū)，如圖8（d）所示，梢渦空泡開(kāi)始沿葉根向葉梢方向急劇收縮，直至在葉尖處潰滅，此時(shí)槳葉的最大變形量和其余槳葉大致相同。

圖8 復(fù)合材料及剛性金屬螺旋槳葉梢空泡的演化Fig.8 Evolution of cavitation in composite material propeller and rigid propeller

為了研究槳葉變形與葉梢空化之間的關(guān)系，圖9 給出了空泡演化的四個(gè)階段里槳葉最大變形量的變化以及有限元計(jì)算所得的槳葉變形。由圖可知，葉梢最大變形量隨葉梢空化的初生、發(fā)展而逐漸增大，在梢渦空泡形成階段達(dá)到的最大值為1.69E-4 m，然后隨著空泡的潰滅而減小，但仍高于空化初生階段的最大變形量。這是由于隨著空泡的發(fā)展，槳葉吸力面與壓力面的壓差及其作用范圍逐漸增大，從而使槳葉受到逐漸遞增的水動(dòng)力載荷，最大變形量隨之增大。

圖9 四個(gè)階段槳葉最大變形量的變化及槳葉變形云圖Fig.9 Variation of maximum deformation of blade in four stages

為了細(xì)致地研究復(fù)合材料與剛性金屬螺旋槳葉梢空泡的演化，圖10給出了1號(hào)槳葉弦向s=0.5的示意圖及r/R=0.9上三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。圖11為復(fù)合材料及剛性金屬螺旋槳葉片弦向s=0.5上在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的空泡體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布圖，其中（a）、（b）分別為復(fù)合材料螺旋槳的吸力面及壓力面，（c）、（d）則分別為剛性金屬螺旋槳的吸力面及壓力面。兩種材料螺旋槳的空泡體積分?jǐn)?shù)分布基本一致，在吸力面上，空泡主要存在于0.75R～0.95R位置，在0.9R達(dá)到最大值時(shí)，其中復(fù)合材料螺旋槳上的最大值為0.43，而剛性金屬槳上則為0.562。在壓力面上，空泡存在的范圍相較于吸力面較小，僅分布在槳葉0.9R以上并在葉梢達(dá)到最大值，其中復(fù)合材料螺旋槳的空泡體積分?jǐn)?shù)最大值為0.41E-5，而剛性金屬槳為2.65E-5，其它區(qū)域均為0，基本可認(rèn)為槳葉壓力面上沒(méi)有空泡。圖中紅色虛線(xiàn)標(biāo)注出了空泡在復(fù)合材料螺旋槳葉片上存在的時(shí)間?Ta、?Tb；黃色虛線(xiàn)則代表空泡在剛性金屬螺旋槳葉片上存在的時(shí)間?Tc、?Td。由圖可以明顯看出?Tc>?Ta、?Td>?Tb，也即復(fù)合材料螺旋槳上的空泡存在時(shí)間要小于金屬螺旋槳上的，此外，剛性金屬螺旋槳的空泡初生時(shí)間要早于復(fù)合材料槳的，其空泡潰滅時(shí)間要晚于復(fù)合材料槳，說(shuō)明復(fù)合材料的應(yīng)用可以延遲空化初生并抑制空化發(fā)展。

圖10 Blade1上弦向及徑向監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.10 Schematic diagram of chordal and radial monitoring points on Blade1

圖11 復(fù)合材料/剛性槳葉片弦向s=0.5空泡體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布圖Fig.11 Space-time distribution of cavitation volume fraction of composite material/rigid blade chord direction s=0.5

圖12 為復(fù)合材料螺旋槳及剛性金屬槳葉片在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)周期上三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的非定常壓力脈動(dòng)演化對(duì)比。由圖可知，兩種材料的螺旋槳壓力脈動(dòng)趨勢(shì)大致一致，但存在值得研究的顯著區(qū)別。初始時(shí)刻，隨著槳葉進(jìn)入高伴流區(qū)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓力驟降，兩種材料的螺旋槳在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)由伴流引起的脈動(dòng)壓力具有最大的幅值，隨后，剛性金屬槳靠近導(dǎo)邊的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Point 1和Point 2的絕對(duì)壓力驟降至飽和蒸汽壓3169 Pa，并持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)空化開(kāi)始初生并沿導(dǎo)邊生長(zhǎng)，而復(fù)合材料螺旋槳的空化初生時(shí)間晚于剛性金屬槳。在t=0.01 s時(shí)刻，隨著槳葉離開(kāi)高伴流區(qū)域，伴隨著空泡的潰滅，兩種材料的螺旋槳壓力開(kāi)始快速爬升，剛性金屬槳的脈動(dòng)壓力達(dá)到最大峰值，此時(shí)復(fù)合材料螺旋槳的脈動(dòng)壓力較之偏低，如圖中第一個(gè)紫色箭頭所示。隨后剛性金屬槳的脈動(dòng)壓力開(kāi)始下降并逐漸平穩(wěn)，但隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)，其脈動(dòng)壓力出現(xiàn)多個(gè)脈動(dòng)峰，直至下一個(gè)周期的到來(lái)。與剛性金屬槳相比，復(fù)合材料螺旋槳的壓力脈動(dòng)峰值較為緩和，整體負(fù)荷較平穩(wěn)，對(duì)非均勻伴流場(chǎng)的適應(yīng)性更好。

圖12 復(fù)合材料螺旋槳及剛性金屬槳葉非定常壓力脈動(dòng)演化Fig.12 Evolution of unsteady pressure fluctuation of composite material propeller and rigid propeller blade

2.3 復(fù)合材料對(duì)螺旋槳非定?？栈阅艿挠绊?/h3>

為了研究復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)螺旋槳非定?？栈阅艿挠绊?，對(duì)比了復(fù)合材料螺旋槳及剛性金屬槳上經(jīng)過(guò)伴流峰的槳葉空泡體積的大小，如圖13 所示。由圖可知，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，兩種材料的螺旋槳空泡體積經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)、潰滅的周期過(guò)程呈正弦狀演化，且由于五個(gè)葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)依次經(jīng)過(guò)伴流峰，故其空泡體積也存在五個(gè)峰值，空泡體積峰值位置對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度與槳葉旋轉(zhuǎn)至伴流峰的時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，此刻空泡到達(dá)葉梢并形成體積最大的梢渦空泡。此外，可以明顯看出在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)復(fù)合材料螺旋槳的空泡體積均小于剛性金屬槳，可見(jiàn)復(fù)合材料的應(yīng)用可有效抑制空化，且復(fù)合材料螺旋槳的空泡體積在生長(zhǎng)階段要晚于剛性金屬螺旋槳，而在潰滅階段要早于剛性金屬螺旋槳，可見(jiàn)復(fù)合材料的應(yīng)用可延遲葉梢空化的初生。

圖13 復(fù)合材料螺旋槳及金屬槳葉空泡體積的對(duì)比Fig.13 Comparison of cavitation volumes of composite material propeller and metal blade

為了解釋復(fù)合材料螺旋槳吸力面壓力相較于剛性金屬槳有所上升的原因，圖15給出了槳葉螺距角及攻角的示意圖，在相同工況下（J=0.789），剛性槳與復(fù)合材料槳的來(lái)流角相等，均為θJ=0.789，在水動(dòng)力載荷作用下，剛性槳的螺距角保持不變，而復(fù)合材料螺旋槳葉片因彎扭耦合效應(yīng)在吸力面壓力過(guò)低時(shí)發(fā)生扭曲，使得其螺距角發(fā)生減小。由于復(fù)合材料螺旋槳的攻角αcomposite=?composite-θJ=0.789，故其攻角也隨之減小。因此，攻角的減小使得復(fù)合材料螺旋槳葉片吸力側(cè)的壓力得以提升，進(jìn)而抑制了葉梢空化的發(fā)展。

圖15 槳葉螺距角及攻角示意圖Fig.15 Schematic diagram of blade pitch angle and attack angle

為了研究復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)螺旋槳空化水動(dòng)力性能的影響，對(duì)比了典型空化工況（J=0.789，σ=2.99）下一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)復(fù)合材料螺旋槳和剛性金屬螺旋槳的推力系數(shù)及扭矩系數(shù)，如圖16所示。KT和10KQ隨時(shí)間演化的五個(gè)正弦峰正好與螺旋槳五個(gè)槳葉依次進(jìn)入高伴流區(qū)相對(duì)應(yīng)。與無(wú)耦合的剛性槳相比，在流固耦合作用下復(fù)合材料槳的推力系數(shù)KT稍有降低，而10KQ有明顯降低，這是由于在非定常水動(dòng)力載荷作用下復(fù)合材料槳葉發(fā)生了彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致槳葉各半徑葉切面處的螺距角減小。此外，圖17還給出了兩種材料的螺旋槳推進(jìn)效率的對(duì)比，由圖可知，復(fù)合材料的應(yīng)用使得螺旋槳推進(jìn)效率稍有提升，這是由于復(fù)合材料螺旋槳所需扭矩相對(duì)較小的緣故。

圖16 復(fù)材槳及金屬槳的推力系數(shù)及扭矩系數(shù)Fig.16 Thrust coefficient and torque coefficient of composite material propeller and rigid propeller

3 結(jié) 論

本文基于建立的復(fù)合材料螺旋槳非定?？栈鞴恬詈蠑?shù)值計(jì)算方法，系統(tǒng)研究了典型空化數(shù)下復(fù)合材料與剛性金屬螺旋槳的葉梢空泡演化及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析了復(fù)合材料對(duì)螺旋槳非定常空化性能的影響。主要研究結(jié)論如下：

（1）對(duì)比了復(fù)合材料與剛性金屬螺旋槳的葉梢空泡演化。由于高伴流區(qū)的存在，葉梢空泡演化分為四個(gè)階段：（a）空泡于導(dǎo)邊初生；（b）沿導(dǎo)邊向葉梢生長(zhǎng)；（c）梢渦空泡形成；（d）急劇收縮后潰滅。葉梢最大變形量隨著葉梢空化的初生、發(fā)展而逐漸增大，在梢渦空泡形成階段達(dá)到最大值，然后隨著空泡的潰滅而減小。

（2）揭示了典型空化數(shù)下非均勻來(lái)流中因復(fù)合材料的應(yīng)用使螺旋槳空化得以抑制的機(jī)制。剛性金屬螺旋槳的空泡初生時(shí)間早于復(fù)合材料槳，其空泡潰滅時(shí)間晚于復(fù)合材料螺旋槳。攻角的減小使得復(fù)合材料螺旋槳葉片吸力側(cè)的壓力得以提升，進(jìn)而抑制了葉梢空化的發(fā)展。

（3）復(fù)合材料的應(yīng)用可以提高螺旋槳推進(jìn)效率，這是由于復(fù)合材料螺旋槳所需扭矩相對(duì)較小的緣故。與剛性金屬槳相比，復(fù)合材料螺旋槳的壓力脈動(dòng)峰值較為緩和，整體負(fù)荷較平穩(wěn)，對(duì)非均勻伴流場(chǎng)的適應(yīng)性更好。