潜艇螺旋桨空化临界特性仿真

　　引 言

　　螺旋桨空化可以分成两种类型，一种是叶片表面空化，产生空泡的地方是螺旋桨叶片的表面;另一种是螺旋桨叶梢和叶根涡流引起的空化，空泡产生于叶梢和叶根涡涡心压力降低处。当空泡沿流线移至较高的压力区时，空泡被压缩而迅速崩溃，发出尖的声脉冲，形成噪声。潜艇水下航行时,海水压力较大,一般来说,螺旋桨叶片表面空泡不易产生,空泡主要在叶梢及叶根涡流中的低压或负压区中形成。潜艇螺旋桨空化起始前后的噪声级差较大，抑制潜艇螺旋桨空化能够有效的提高潜艇隐蔽性。确定潜艇螺旋桨是否空化的问题分为两个方面：一是在给定深度下，计算潜艇螺旋桨产生空化的起始速度(空化临界速度);二是在给定速度下，计算潜艇螺旋桨产生空化的起始深度(空化临界深度)。目前，国内对梢涡的研究主要集中于如何完善螺旋桨的水动力模型，以期在设计或计算螺旋桨性能等方面能有一个更接近实际的模型，而其对于螺旋桨空化噪声的影响却很少提及。另外，国内对于螺旋桨空化的研究往往集中于叶面的空化，且专注于空化对螺旋桨叶面的腐蚀或对螺旋桨推进效率的影响，对潜艇螺旋桨梢涡空化噪声的研究非常有限。国外在该领域的研究主要体现在以下四个方面：

　　一是空化形成的原理分析及对空化的类型研究;

　　二是从螺旋桨自身的属性(直径、桨叶形状、转速等)出发，分析螺旋桨与空化的关系;

　　三是定性分析空化现象的危害，空化对螺旋桨的腐蚀，引起船体震动及产生巨大噪声等;

　　四是以防治空化现象为牵引，注重对螺旋桨设计方面的研究。在螺旋桨空化临界特性方面也鲜有涉及。

　　1 螺旋桨环流分布计算

　　螺旋桨旋转时，有涡系在其桨叶的随边泄出，泄出涡系通常被称为自由涡。自由涡在螺旋桨后不远处便卷成两股。在桨叶的叶梢和叶根各有一股旋涡冲向螺旋桨后方，叶梢的涡称之为梢涡，叶根的涡称之为根涡。螺旋桨工作时，做旋转运动，从桨叶随边泄出的旋涡成螺旋形。旋涡内是一个压力下降区，旋涡强度越大， 旋涡内压力降越严重，当旋涡内压力降低到汽化压力之下时，发生空化。

　　1.1 螺旋桨奇点系

　　在圆柱坐标系中，选择无因次弦向坐标 s，导边表达为0，随边为 1，桨叶弦向中点为 1/2，则桨叶拱弧面可由下式表达:

　　螺旋桨叶由布置在拱弧面上的一组等值涡环和离散的线源来代替，分别表征螺旋桨的负荷和厚度效应。拱弧面上自桨毂 rH到叶梢 R 分成 MB等分，以 MB+1 个半径为 ρm的圆柱面与拱弧面相交得 MB+1 个弦向格子线，构成 MB个弦向条带。组成涡环的弦向涡元置于下式表示的半径 ρm上: