轮缘推进器梢隙流动特性及尺度效应分析

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轮缘推进器(Rim-Driven Thruster,RDT)电机定转子间隙流动结构较常规导管螺旋桨叶梢间隙流动复杂,呈现非定常、强剪切、多尺度等特征,间隙流动现象的描述以及其对RDT水动力性能的影响求解均非常困难。本文以建立有效的RDT间隙流动数值计算模型为前提,遵循由简单到复杂的研究思路,首先分别对敞开域圆环旋转、近壁面圆环旋转、导管内嵌圆环旋转、以及导管内嵌带桨叶圆环(RDT环转子)旋转问题进行了数值模拟,探讨了转子附近壁面有无、壁面形状以及螺旋桨压差对间隙流动和环转子扭矩系数的影响规律,以解释RDT电机定转子间隙流动机理。随后以某RDT为对象,结合模型试验测试结果,对数值计算模型中网格数量、湍流模型、旋转运动方式进行了逐一确认。基于验证后的数值计算模型,通过多方案计算分析,重点讨论了轴向间隙、径向间隙以及螺旋桨转速对间隙流动发展演变规律的影响,研究表明间隙内流动变化受间隙轴向和径向间隙的影响相对较大,而受转速的影响相对较小,且环转子各表面转矩系数随转速的变化具有明显的尺度效应,这与模型试验得到的相关规律也高度吻合。最后,通过依次改变RDT部件及间隙尺度,并开展不同工况下的数值计算,讨论了RDT水动力性能随部件与间隙尺度的变化规律,研究表明尺度增加后会抑制径向间隙内泰勒涡的产生,环转子扭矩系数出现较为明显的下降。基于多方案数值计算结果,最终给出了RDT环转子各表面转矩系数随雷诺数和间隙尺寸的换算公式,可为同类型RDT的设计开发以及性能预报提供参考借鉴。
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