前置发动机超空泡鱼雷流场数值模拟

发布时间：2020-07-05 04:32

【摘要】：水下航行体的阻力较大,航速较低,采用超空泡技术可显著地提高水下航行体的航速。目前国内外对前置发动机超空泡鱼雷的研究甚少,将发动机前置可以达到推进减阻一体化的目的。本文采用Mixture多相流模型并耦合“全空化”空泡模型模拟前置发动机鱼雷的通气超空泡流场和考虑喷管二次射流的流场,分析不同因素对流场和弹体受力的影响。首先对典型的圆盘空化器通气超空泡流进行模拟以验证数学模型和数学方法的合理性,对比不同湍流模型和压强-速度耦合方式对通气超空泡流计算的精度,最终选择了RNGk-ε模型和PISO算法,为后续流场模拟奠定基础。其次对无喷管二次射流的通气超空泡鱼雷流场进行模拟,分析空泡的演变过程、弹体特征位置的空泡厚度变化、以及斜切喷管内和弹体表面的压强、气体密度、温度、气体马赫数等参数的变化,并分析弹体的阻力和推力特性。考虑了来流速度、弹体头部通气总温、头部通气质量流量、喷管斜切角和空化器倾角等因素对流场和弹体受力情况的影响。由计算结果分析得到:来流速度越大阻力越大;随着头部通气总温的升高压差阻力减小,粘性阻力增加,推力略有增加;随着头部通气流量的增加,阻力减小,推力增大,当流量达到某个临界值后,推力和阻力基本保持不变;斜切喷管存在一个最佳斜切角度,使其产生的对弹体的推力达到最大值;随着空化器倾角的增大,升力快速增大,而阻力减小。最后对有喷管二次射流的通气超空泡流场进行模拟,考虑二次射流管管径、二次射流喷射位置和喷射角度对流场和弹体侧向力及推力的影响。由计算结果分析得到:随二次射流管直径的增大,侧向控制力增加,轴向推力减小;二次射流喷射位置越靠近喷管上游,侧向力越大,轴向推力越小;随二次射流喷射角度的增大,侧向力增大,轴向推力减小。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ630.1
【图文】：

1.1 研究背景由于航行体在水下运动时所受到的阻力远远高于在空气中运动时所受的阻力，大约为在空气中飞行时的阻力的 850 倍，所以常规水下武器的航行速度较低，目前世界上航速最高、重量最大的常规水下武器是英国的“旗鱼”鱼雷，其航速最大也只有 36m/s[1]。超空泡技术通过在航行体表面形成一个包裹航行体的大型气泡的方式使航行体的航行阻力大幅减小从而提高航行体的速度，此技术可使水下航行体阻力减小约 90%[2]。俄罗斯的“暴风”超空泡鱼雷和美国的超空泡射弹是超空泡技术的典型应用（如图 1.1 所示），“暴风”超空泡鱼雷采用人工通气的方式在航速较低的情况下获得超空泡以提高速度，超空泡射弹则是凭借极高的入水速度生成自然超空泡以增大射程。第一代“暴风”鱼雷航速已达 100m/s，正在研制中的第二代“暴风”鱼雷航速将达到 200m/s[3]；超空泡射弹的速度高达 1000m/s，甚至 1500m/s[3][4]。超空泡技术具有如此大的优势，在水下兵器上的应用是革命性的，倍受世界各军事强国的重视。超空泡技术及其应用的研究对国防实力的提高具有重要意义。

第 2 章 超空泡流场计算的数学模型和数值方法更新的压强和面质量通量一个接一个地求解动量方近获得的速度场和质量流量求解压强修正方程或连一步获得的压强修正校正面质量通量、压强和速度近获得的变量值求解其它如能量、组分、湍流等标否收敛，若收敛，停止循环，若不收敛则继续迭代

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本文编号：2742090