0 引　言

目前，由于新型水中目标被动检测的发展以及军方对于舰艇速度与隐蔽性等需求，对泵喷推进器的各项要求越来越严格^[1]。为了提高舰艇的航行速度，通常会选择提高泵喷推进器的转子转速，但当转子转速达到临界空化速度，会出现初始气核，产生空化现象，导致泵喷推进器的效率大幅下降，并且空泡溃灭产生的低频噪声也会大大增加舰艇被发现的概率^[2]。

为了使泵喷推进器满足舰艇推力需求的同时，增加舰艇的隐蔽性，就必须有满足推进性能的水动力设计，并在此基础上提高其临界航速下的抗空化性能、减少低频辐射噪声的产生。

1 泵喷推进器推进性能研究

泵喷推进器一般由导管、定子、转子3部分组成，相较于通常的螺旋桨，定子在前方时，可以改善转子的进流条件，定子在后方时，可以回收转子周向尾流的散失能量。由于转子一般位于渐扩形导管内，使流经转子叶片的水流速度减少，得以延迟并减少空化的产生，改善泵喷推进器空化性能和空化噪声的产生。因此与传统的7叶大侧斜螺旋桨相比，泵喷推进器的效率更高、性噪比更高^[3]。

1.1 水动力性能

从泵喷推进器的整体设计来看，陈月林等^[4]由叶轮机械三元流动两类相对流面理论及相对应的变分原理求解后置定子的泵喷推进器的压力与轴向推力参数，与实验结果基本相吻合。韩瑞德等^[5]采用吴仲华流面设计理论进行定子、转子、导管的联合设计方案，较早提出了泵喷推进器设计与水动力性能数值预报方法，并肯定了由于泵喷推进器导管的设计不同会对效率与噪声间的平衡带来较大的影响。但是借鉴流面设计理论是二元设计方法，在流动方面仍然存在缺陷，是流动的简化，难以兼顾水动力性能与声学性能^[6]。靳栓宝等^[7]通过控制黏性与无黏的迭代方法，成功将流体黏性引入泵喷推进器的三元设计理论中，在水动力性能与声学性能上取得了较好的结果。后文中出现的升力法设计及升力面法设计可以视为是三元设计理论的基础，并在步骤上有着一定的相似性。

由于泵喷推进器的结构特殊性，其导管一般选择减速型导管，起到增加进口压力、延后空化的作用，但是从整体的流动分析减速型导管会带来相当一部分的阻力，孙瑜等^[8]通过LES的方法计算导管长度对泵喷推进器的影响，得出结论：当导管的长度增加时，泵喷推进器的转矩系数和效率会随着导管长度的增加而减小，推进器内部流动也会产生影响，不利于泵喷推进器效率的提高。董新国等^[9]通过CFD数值模拟的方法，得到了减速型泵喷推进器导管的不同安装倾角下的水动力性能参数，从结果来看，合适的导管倾角在减小泵喷推进器喷射流量的同时不会使推力产生较大的变化，这也就意味着效率的提高。

从设计的角度讲，在条件允许的情况下，减小导管的长度并采用合适的倾角有利于提高推进性能。

在泵喷推进器中，转子提供正推力，定子与导管则为负推力，可以说转子叶片的设计决定了泵喷推进器的推力上限，Furuya等^[10]指出，在设计泵喷推进器时，通过借鉴旋转机械的相关设计经验是一个有效方法。饶志强、刘占一等^[11-12]证明了CFD方法对泵喷推进器进行水动力数值模拟的可行性。

在众多设计方法中，螺旋桨中常见的设计方法有升力线法、升力面法、面元法，为泵喷推进器的水动力设计提供了参考。其中，面元法是边界元法的一种，是求解椭圆型方程的离散化方法，属于较先进的螺旋桨设计方法^[13]。苏玉民等^[14]通过对导管螺旋桨基于面元法的3种模拟计算方式研究后提出直接计算法和运用速度势迭代的计算方式更加贴合导管式推进装置的实际数据。即由于桨叶梢涡的存在，导致利用诱导速度迭代计算的方式会存在较大的误差。刘小龙等^[15]提出基于速度势面元法导管桨定常性能预估的数值方法，并通过升力面设计方法进行给定导管形状情形下的转子和定子的设计。周运凯等^[16-17]采用升力线法从参数出发正向设计了泵喷推进器，还从给定的叶片形状出发到三维叶片的反向设计方案，并且给出了升力法设计后泵喷推进器的最优化方法，在效率和抗空化性能方面取得了不错的结果。王小二等^[18]通过对反问题计算和正问题计算相互迭代的三元设计方法对泵喷推进器进行设计；刘业宝等^[19]提出升力线理论-面元法-泵升力法相结合的泵喷推进器设计方案^{[17, 19]}。2篇文章都提到，在设计时可以将泵喷推进器推进装置作为一种特殊的、高比转数的轴流泵来设计，并且其根据升力法的设计结果在水动力性能上也符合要求。

在进行水动力分析时，应当考虑泵喷推进器的叶片结构排布所带来的影响。由于泵喷推进器的定子转子的前后位置不同，其相应的水动力特性也会发生变化。在敞水性能对比中，后置定子的泵喷推进器在流量、出流轴向分量及效率方面都略高于前置定子的泵喷推进器，这是由于后置定子的泵喷推进器的流体在流过定子后，出流方向与轴向方向夹角较小，在回收能量方面要优于前置定子的泵喷推进器^[20]。

虽然前置定子的泵喷推进器在导管内壁的负压区有利于导管产生推力，减小转子叶片负载，但是由于其定子周围的大范围负压区，导致定子容易发生汽蚀现象，影响推进器使用寿命。从叶片的进出口速度三角形上分析，前置定子的泵喷推进器其转子的周向转动速度与流体流过定子后的流体周向转动速度方向相反，导致效率低于后置定子的泵喷推进器。

1.2 空化性能研究

泵喷推进器的水动力性能不仅与水动力设计有关，泵喷推进器工作时，特别是在较高的航速条件下，由于其转速较高，就使得其容易发生空化现象。当泵喷推进器发生空化时，不仅效率、推力急剧降低，由于其空化产生的空泡溃灭引起的空化噪声会大大增加舰艇被发现的几率。所以泵喷推进器的空化性能研究也成为了一个重点。

由于泵喷推进器结构复杂，且转子与定子的顺序也会影响其空化性能，泵喷推进器的外部存在导管，与轴流泵的流动特征会有所类似，所以从轴流泵的研究经验入手。从流动的特征上分析，叶梢的速度最快，流动状态也是最为复杂，高速下容易产生低压区进而发生空化，因此叶梢及转动的叶片与导管的间隙也就成为其空化研究的重点。施卫东等^[21]指出随着空化数的降低，空化首先在叶片进口边间隙区附近发生，逐渐向出口边扩大，同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片。空化首先发生的地方是在叶梢位置产生的涡旋低压区处，即梢涡空化。

这里给出空化数的定义公式：

$ \sigma =\frac{{P}_{a}-{P}_{c}}{0.5\rho {U}^{2}}，$

其中， $ {P}_{a} $ 为环境压力， $ {P}_{c} $ 为空化压力， $\ \rho $ 为流体的密度， $ U $ 为流动特征参考速度。

从Han等^[22]预旋定子泵喷推进器的瞬态预测及尾迹涡的混合RANS/LES模拟比较研究中，可以确定泵喷推进器的尾涡流动特征与施卫东等提出的轴流泵的空化发生特征基本吻合。

同时，文献[22]中提出由于轴流泵的叶顶间隙的存在，当叶顶间隙发生变化时，势必会对梢涡空化产生影响。鉴于轴流泵与泵喷推进器的结构相似性，不难推测出，叶顶间隙对于梢涡空化是有影响的。鹿麟等^[23-24]运用SST k-ω湍流模型，通过CFD技术对比不同的叶顶间隙对于泵喷推进器推进性能的影响得出，当叶顶间隙增大时，不论空化是否发生，泵喷推进器的推进效率都会下降，并且由于间隙的增大，间隙流动会更加充分，泄漏量会增大，导致尾涡低压区更易发生空化。

因此在保证泵喷推进器推力性能符合要求的同时，应当避免采用过大的叶顶间隙，但叶顶间隙过小会导致间隙泄漏流受到排挤，低转速下的小叶尖空化现象稍加严重^[25]。这一点和石耀等^[26]的研究结论基本一致，即在相同空化数下，随着进速比的增大，推进器敞水效率呈先增大后减小的趋势，且进速比越小，空化现象越明显。潘光等^[27]基于URANS构建的网格上，运用SST湍流模型的方法对泵喷推进器的空化特性分析后得出空化的发生和扩展趋势。气核首先发生在转子的叶尖前缘，然后逐渐扩到转子叶片的吸力侧，同时在定子上发生。速度分量在轴向不同区域的周向分布具有不同的特征。这点与文献[20]的结论相符合，也说明了泵喷推进器与轴流泵二者流动特征的相似性。

为了减弱梢涡空化带来的影响，张凯等^[28]根据低流速的航空发动机处理机匣原理，在泵喷推进器的导管内侧转子部分位置加装凹槽，使泵喷推进器转子工作时产生抽吸以控制梢涡流场，削弱梢部涡系强度，改变压力场分布，抑制转子梢涡空化的发生。

不论是运用CFD方法，还是实验对照，针对泵喷推进器的空化研究都指出对梢涡空化的研究必要性以及导管间隙泄漏流对空化性能产生影响。间隙流动的增加在空化发生的同时造成效率的二次下降，并且尾涡强度的增强会进一步导致空化核的生成，导致空化更容易发生，在噪声性能方面也会由于空化噪声的激增影响舰艇的隐蔽性。

2 泵喷推进器低噪声研究

随着对泵喷推进器水动力性能及空化性能研究的不断深入，因为空化与噪声之间存在着密切联系，越来越多的研究人员开始关注泵喷推进器的噪声性能，尤其是对于如何降低低频噪声这一难点。根据泵喷推进器内部流动的特征，可以将其划分为由于湍流脉动与扰动引起以及空化气核溃灭引起的流动噪声^[29]，以及由于激振力导致结构振动增加的结构诱导噪声。

前者一般会从流体流动的模拟仿真公式角度分析声源的类型，包括空核产灭的点声源、大多运动固体面的偶极子声源、涡流的四极子声源，在种类归纳上应对水动力学部分，称水动力噪声；结构诱导噪声属于流动声振的相互作用，大多采用流固耦合的方法研究，声学方面以边界元法最常见。

2.1 动力噪声研究

水动力噪声属于流体力学与声学的交叉学科，由于水动力在噪声方面起步较晚，因此大多数的噪声理论皆沿用气体噪声理论。而且泵喷推进器的结构比较复杂，噪声分析较为棘手，只能通过借鉴前人的噪声研究经验使噪声分析更加有效。

噪声最早的研究方法来自Lighthill在 1954 年通过改写N-S方程，将流体噪声源分为单极子噪声、偶极子噪声、四极子噪声，并提出的声学类比法与Lighthill方程^[30]，奠定了声学研究的基础。赵兵等^[31]在鱼雷的发声机理分析中就沿用的Lighthill方程为基础的声学类比法，Curle等^[32]建立了移动固体偶极子声源面的基尔霍夫公式求解方式，之后的Williams等^[33]进一步优化了声类比法，提出一般的FW-H公式。如下：

$ \begin{split}\frac{1}{{a}_{0}^{2}}\frac{{\partial }^{2}{p}'}{\partial {t}^{2}}-{\nabla }^{2}{p}'= &\frac{{\partial }^{2}}{\partial {x}_{i}\partial {x}_{j}}\left\{{T}_{ij}H\left(f\right)\right\}-\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left\{\left[{P}_{ij}{n}_{j}+\right.\right.\\&\left.\left.\rho {u}_{i}\left({u}_{n}-{v}_{n}\right)\right]\delta \left(f\right)\right\}+\\ &\frac{\partial }{\partial t}\left\{\right[{\rho }_{0}{v}_{n}+\rho ({u}_{n}-{v}_{n})\left]\delta \left(f\right)\right\} 。\end{split} $

其中： $ {u}_{i} $ 为流体速度在 $ {x}_{i} $ 方向的分量； $ {u}_{n} $ 为流体速度在壁面法向方向的分量； $ {v}_{i} $ 为面速度在 $ {x}_{i} $ 方向分量； $ {v}_{n} $ 为面速度沿其法向方向的分量； $ \delta \left(f\right) $ 为狄拉克 $ \delta $ 函数； $ H\left(f\right) $ 为海维赛德阶跃函数。

FW-H公式为旋转机械的噪声计算提供了理论依据。此后，随着FW-H公式的不断完善，其在噪声研究方面的应用越来越广。声类比法也在工程领域得到广泛的应用^[34-35]。

在对螺旋桨的研究中就已经提到空化与噪声之间的关系，刘芳远等^[36]通过CFD技术模拟研究了螺旋桨叶梢空化对噪声的影响，不仅给出了由FW-H声学模型计算下的声压结果与RANS，DDES下的压力脉冲对比图，比较了三者间的相似性，解释了声压与压力脉动间的关系，还对比了无空化条件下与空化发生时的声压与压力脉动。从计算结果看，当采用几何形状比较复杂的面作为声源面进行FW-H声学计算时，近场区域的诱导噪声计算会出现误差过大的现象，这一点和Kenneth等^[37]对基尔霍夫公式与FW-H公式的比较文献中得出的结果一致，但FW-H方法在非线性计算方面比基尔霍夫公式更具优势，这也说明了FW-H方法在旋转叶片气动声学研究中的优越性。

袁寿其等^[38]基于CFD + Lighthill理论对蜗壳内部流场进行声学求解并采用基于分离涡模拟（DES）方法进行三维非定常流场计算。由于DES方法在声学计算中得到的结果更加准确，特别是通过声压级分析发现DES方法能够较好地捕捉空腔流动中压强脉动及噪声水平^[39]，Denghui等^[40]也通过DES湍流模型对锯齿形导管对减弱泵喷推进器流动低频噪声计算，于丰宁等^[41]通过类比法对泵喷推进器的内部流体辐射噪声的组成分析等。

声类比法对于近场声源区的分析，由于其非线性，求解效果好，并且在不增加计算量的基础上可以分辨声源信息^[37]，因此在大部分旋转类机械的水动力噪声研究计算中仍然采用Lighthill声类比法。

2.2 构诱导噪声研究

对于噪声的贡献中，除了流动噪声外还有流动引起固体部件振动的结构诱导噪声。诱导噪声的研究范围较广，从离心泵开始到螺旋桨、再到导管螺旋桨的诱导噪声研究经验为泵喷推进器的诱导噪声研究提供了经验基础。

一般对于结构诱导噪声多采用流固耦合的方法对流动与固体表面进行分析，得到表面的压力分布规律后，通过有限元计算达到预测诱导噪声的目标。司乔瑞^[42]等通过耦合声学边界元与非耦合声学边界元方法完成对声场进行求解，高丹妮等^[43]在提取到泵喷推进器关键结构表面的脉动压力后，将此流体载荷作为推进器声振耦合分析的激励源，通过有限元边界法求解泵喷推进器管内壁脉动压力幅频特性曲线及均方振速与辐射声功率幅频特性曲线；于丰宁等^[41,44]通过分离解法单向流固耦合分析了泵喷推进器的结构诱导噪声，并在LMS Virtual.Lab 软件中通过声学边界元方法获得结构噪声。

目前比较主流的两大声学模拟仿真软件有Virtual.Lab acoustics与ACTRAN，都与CFD有着较好的兼容性。对于声学仿真模拟，首先明确噪声的两大来源，即流动噪声与结构噪声，通过Lighthill声类比法，结合流场仿真数据得到流动噪声的特征；采用流固耦合的方法，通过有限元/边界元分析的方法得到结构面声源分布。袁寿其等^[45]采用直接边界元法(DBEM)对内声场求解，成功得到偶极子声源和内声场的声压分布图。李星升等^[46]对泵喷推进器在水下机械降噪的分析中指出Lighthill声类比法对于非线性近场的声源区适用性，同时还提出流动噪声和诱导噪声复场叠加。白日等^[47]也采用边界元法与扇声源模型的结合，把定子与转子分开研究，最后通过Virtual.Lab叠加计算完成噪声预报，同时还指出由于流动特征尺度和声扰动特征尺度差别很大，因此在数值模拟中存在的微小误差可能导致噪声预报较大偏差。文献[47]指出的微小扰动带来的误差较大现象与文献[36]叙述的近场区域诱导噪声误差大的出现原因一致，因此对于如何避免近场区域的噪声误差过大问题仍需要进一步研究。

3 结　语

1）在泵喷推进器推进性能方面，从水动力学的设计上，借鉴泵类旋转机械，特别是轴流泵与导管螺旋桨的设计方法，可以设计出更高性能的泵喷推进器叶片。一元和二元的流面设计理论不适合低噪声的泵喷推进器水力设计要求，因此基于三元理论的水动力设计是当前泵喷推进器设计方法的主流，通过借鉴螺旋桨的设计理念，使用升力线法、升力面法、面元法进行泵喷推进器的设计。

2）对于泵喷推进器的导管，在满足水力性能要求的情况下应尽量减少其长度，以提高效率。其安放倾角也必须根据其翼型的绕流特点进行调整。

3）泵喷推进器的空化研究应当注意叶梢位置流体流速最快，流动最为复杂的部位。该部分与泵喷推进器导管的设计有直接联系。导管与叶片间的间隙过大会导致泄漏流增加，进而使尾涡强度增加，更易出现空化现象，导致泵喷推进器效率降低。叶梢部分是低压涡核的产生区，是空化最先出现的位置，在泵喷推进器空化性能的优化方面，由于泵喷推进器与轴流泵在结构上的相似性，参考轴流泵的抗空化措施是一个有效的方法。

4）对于泵喷推进器的流体辐射噪声计算，属于运动固体边界条件下的声场计算问题。通常会采用声类比法把流动噪声划分为单极子声源、偶极子声源以及四极子声源并逐步对每一类别的声源进行分析。对于结构诱导噪声，一般通过将流固耦合的结果导入声学软件中，结合声学有限元分析的方法处理获得。

5）在声场的计算中需要注意对近场与远场的声源作用的区别，并且需要注意所使用的声学方程是否适用于自己所要求解的壁面。

6）展望未来，泵喷推进器在噪声研究方向多会集中于低频噪声的优化，而在水动力性能方面，除了对叶尖高速旋转带来的低压区的研究外，对导管与叶片间的间隙流动的关注也会提高。对于泵喷推进器是否可以采用航空发动机类似的矢量可变性导管来控制尾流的研究还没有相关的文献，是一个可以延伸的点。参考技术较为成熟的航空理论技术并实施于泵喷推进器上，可能会得到好的表现。

未来对于新型的泵喷推进器如轮缘式泵喷推进器、无轴泵喷推进器方面的研究将会给泵喷推进器带来新的研究方向，例如无轴泵喷推进器无轮毂引起的转子中回流现象的研究等。