该研究由意大利国家研究委员会海洋工程研究所（CNR-INM）的Antonio Posa和Riccardo Broglia完成，发表于 *Journal of Fluid Mechanics*（2025年，第1011卷，A15）。研究利用大涡模拟（LES）对比了导管桨与传统无导管螺旋桨在高载荷工况下的尾流系统，揭示了导管对推进性能与流动物理的重大影响。

学术背景

导管桨通过在转子外围加装固定导流管，在低进速系数（高转速）下可显著提高推进效率。然而，导管与桨叶叶尖之间的间隙会产生叶尖泄漏涡（tip leakage vortex），其动力学行为与传统螺旋桨叶尖涡（tip vortex）存在本质差异，直接影响空化、噪声及与下游结构的相互作用。此前关于导管桨的研究多采用势流方法或雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法，这些方法无法准确解析尾流中相干结构的演化。少数采用分离涡模拟（DES）的研究受限于网格分辨率，未能深入分析导管内部叶尖泄漏涡与喷管内壁边界层之间的剪切作用。本研究旨在通过极高分辨率的大涡模拟，系统比较导管桨与传统桨的尾流动力学，重点揭示叶尖泄漏涡在导管内的早期演化机制及其对下游不稳定性的影响。

研究流程

研究对象为KA4系列四叶定距桨，导管采用Wageningen 19A，叶尖与导管内壁间隙为0.0182D（D为桨直径）。传统桨为同几何无导管构型。两种桨均在均匀来流、进速系数J=0.3的高载荷工况下模拟，雷诺数（基于70%半径处弦长与相对速度）约为360,000。

计算采用浸没边界（IB）法在圆柱坐标系下求解滤波不可压缩Navier-Stokes方程，亚格子应力由WALE模型封闭。计算域径向延伸5.0D，上游2.5D，下游5.0D。细网格包含35亿个网格点（840×2050×2050），径向最小间距在叶尖间隙内为2.5×10⁻⁴D（间隙内约73个网格点），轴向在桨叶区域为5×10⁻⁴D。叶片表面平均网格分辨率约4个壁面单位，导管表面约2个壁面单位。此外，还生成了18亿和9亿网格点的中、粗网格用于导管桨的网格收敛性验证。物面由拉格朗日网格离散：桨叶约17.8万个三角形，导管约11.8万个。时间推进采用分数步法和三阶Runge-Kutta格式，库朗数保持1.0，细网格下每个桨叶旋转周期约5600个时间步。所有算例运行两个流通时间以建立统计稳态，随后在10个旋转周期内同时计算时间平均和相位平均统计量。

数据分析包括：桨叶表面压力系数与三个方向壁面摩擦系数的相位平均分布；利用Q准则等值面可视化相位平均相干结构；对叶尖泄漏涡和叶尖涡进行涡核追踪，在等方位角间距为π/8的子午截面上计算环量、涡核内平均压力系数、涡核轨迹坐标以及湍动能和雷诺剪切应力的相位平均值。

主要结果

在全局性能方面，与DES参考结果吻合良好。导管桨总推力系数较传统桨下降约12.1%，但扭矩系数下降约32.9%，因此推进效率提升约30.9%。导管自身贡献了总推力的主要部分，而转子推力仅为传统桨的约61%。

桨叶表面流动分析显示，传统桨吸力面前缘存在明显分离区，而导管桨由于喷管加速来流，实际进速系数提高，叶片载荷降低，分离现象消失。导管桨叶尖处的径向摩擦系数显著低于传统桨，表明叶尖涡强度较弱。压力面上两桨差异较小，但传统桨桨叶整体载荷更高。

尾流结构的瞬时可视化表明，传统桨的叶尖涡更强且在更远下游保持相干性，而导管桨的叶尖泄漏涡更弱且更早失稳破碎。相位平均Q准则等值面也证实，导管桨的叶尖泄漏涡在相位平均场中更早扩散消失。此外，两桨尾流内部近毂的螺旋结构也存在差异：导管桨在近毂处存在更强、更持久的螺旋涡，而传统桨的近毂涡更快失稳，原因是其更强的毂涡与根涡相互作用。

涡核分析揭示了导管内剪切作用的关键影响。在导管内部，叶尖泄漏涡的环量在形成后迅速衰减，而传统桨叶尖涡的环量在相同下游范围内几乎不变。导管桨叶尖泄漏涡的径向内移量远小于传统桨叶尖涡（约0.01D vs 0.07D），同时其轴向推进速度也更慢，导致更小的螺距。这些现象无法仅用转子载荷差异解释，而应归因于叶尖泄漏涡与导管内壁边界层之间的强烈剪切，该剪切产生额外的流动阻力并加速涡的扩散。

第二阶统计量显示，叶尖泄漏涡涡核内的湍流剪切应力u′w′约为叶尖涡的两倍，尽管前者的涡强度更弱。这一剪切应力集中在叶尖泄漏涡与导管边界层之间的区域，是导致叶尖泄漏涡更快失稳的关键因素。这与传统桨叶尖涡的失稳机制不同：后者主要来自相邻叶片叶尖涡螺旋线之间的短波/长波不稳定性、相互诱导、跳跃（leapfrogging）及最终破碎为湍流。

结论

本研究首次利用网格点数达35亿的大涡模拟揭示了导管桨叶尖泄漏涡在导管内部早期演化的重要性。导管通过加速来流降低桨叶实际载荷，使叶尖泄漏涡初始强度弱于传统桨叶尖涡；同时，叶尖泄漏涡与导管内壁边界层的强剪切使其环量迅速衰减、湍流应力显著升高，导致其比传统桨叶尖涡更早失稳破碎。因此，导管桨的尾流特征（wake signature）更弱，对下游结构（如舵）的不利影响更小。这一发现澄清了导管桨尾流中载荷转移与剪切增强两个相反效应的净结果，为高性能低噪声导管桨设计提供了理论依据。

研究亮点

本研究的亮点在于：首次在导管桨领域实现35亿网格点的大涡模拟，网格分辨率足以解析导管间隙内叶尖泄漏涡与边界层的剪切细节；系统揭示了导管桨叶尖泄漏涡失稳的独特机制——剪切驱动而非涡间相互诱导；提出叶尖泄漏涡在导管内部的早期演化阶段是决定其下游行为的核心因素，突破了以往研究仅关注导管下游区域的局限。这些成果对理解旋转机械中叶尖泄漏流动的普遍规律也具有参考价值。