泵喷推进器设计与流场特性研究

发布时间：2020-08-01 21:36

【摘要】：由于泵喷推进器本身的复杂性和较强的军事应用背景,国内外现在公开发表的有关泵喷推进器的文献并不多,要获得关于其详细的研究资料具有一定的难度,而国内对于泵喷推进器所开展的研究工作,例如泵喷推进器的设计、水动力性能、空泡性能以及间隙流动方面的研究则更是少之又少,尤其是有关间隙流动方面并没有开展深入系统的研究。针对泵喷推进器开展系统精细的研究,对于水下航行器性能的提高及相关领域研究的促进具有十分重要的影响。同时,对提升我国的水中武器例如潜艇、鱼雷等的作战隐蔽性、高效性都有着非凡的意义。因此,本文主要围绕泵喷推进器设计技术与流场特性展开研究,分别从泵喷推进器设计原理方法、泵喷推进器总体方案设计、泵喷推进器内外三维复杂流场数值计算、泵喷推进器空化特性的预报以及间隙流场特性分析等几个方面展开深入的研究与分析,主要取得的研究内容与成果归纳为如下几个方面:(1)泵喷推进器结构设计与建模方法研究1)给出了泵喷推进器的整体组成结构,研究了推进器设计原理,包括转子、定子与导管的设计原理及其他部件的设计原则。2)基于螺旋桨的升力法,根据升力线理论建立了转子最佳环量的求解方法,在确定最佳环量分布后,求出满足最佳环量分布的转子叶片叶型剖面。其次,基于修正系数法,对泵喷推进器的定子进行设计,同时采用加速型导管以提高推进器效率3)通过翼型型值点与切面轮廓投影点之间的转换,建立了推进器叶片的三维建模方法,并且利用Siemens UG NX软件完了泵喷推进器的三维建模与虚拟装配工作。(2)泵喷推进器三维复杂流场的计算与分析1)建立了泵喷推进器三维复杂流场数值计算模型,确定了采用RANS(Reynolds-averaged Navier Stokes)雷诺时均方法对三维流场进行求解,采用SST k-?湍流模型完成计算封闭。控制方程和湍流模型利用有限体积法(Finite Volume Method)进行离散,利用SIMPLEC算法对速度与压力进行耦合;2)针对泵喷推进器相对复杂的机械结构,采用前处理软件ANSYS ICEM,基于分块思想,并且采用内部交界面拼接的方法,对泵喷推进器计算域进行结构化网格划分。3)通过对E779A不同工况下的水动力性能数值计算与分析,对数值计算方法与模型进行了验证。4)针对不同进速系数下的泵喷推进器三维流场进行了计算与分析,得到了泵喷推进器的水动力性能,当J=1.23时,效率最大为67.99%,泵喷推进器的平衡性能较为理想;同时,给出了推进器内部流场中压力与速度的分布特点与规律。(3)泵喷推进器空化性能的数值预报与研究1)针对泵喷推进器空化流场的特点,对湍流模型进行了修正,合理的选择了空化模型,建立了泵喷推进器空化流场的计算模型与方法,以NACA66水翼与E779A四叶桨为研究对象对空化数值计算方法进行了验证。2)通过对不同工况下泵喷推进器空化流场的计算,得到了推进器的空化水动力性能;在空化发生后,推进器仍在J=1.23时效率达到最大,数值为59%;对比空化发生前后,泵喷推进器的效率在发生空化后出现了明显的降低,降低幅度最大为19.38%(J=0.98)。3)分析了泵喷推进器空化压力场的分布特性,计算表明定子叶片的稳流作用能够起到延缓和降低空化影响的作用;分析了转子转速、来流速度与空化数对泵喷推进器空化特性的影响规律。(4)泵喷推进器间隙流场特性研究1)对不同间隙尺寸下的泵喷推进器进行了三维建模与结构化网格划分,并且着重对泵喷推进器的间隙流场进行了精细后处理。2)通过对叶顶间隙流场的精细后处理,对间隙流场的流动特性进行了描述;给出了间隙流动的作用机理与结构;研究了顶隙泄涡的形成原理与主要组成部分;完成了对间隙流场输运与发展的描述与分析,分析了间隙流动对泵喷推进器导管内速度场与压力场的影响特性。3)通过对不同间隙尺寸下泵喷推进器水动力性能计算结果的对比,得到了间隙尺寸对泵喷推进器水动力性能的影响规律;给出了不同间隙尺寸下的速度与压力分布规律。4)通过提取空化间隙流场的空化云图、轴面空化面积等流场数据,分析了推进器间隙流场的空化特性;给出了不同叶顶间隙尺寸对推进器空化流场特性的影响规律;分析了不同间隙尺寸下转子叶片空化面积的变化规律;并在空化水动力计算的基础上,研究了间隙尺寸与转子转速二者对推进器空化特性的综合影响规律。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ6;U664.3
【图文】：

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第一章绪论管进一步提高推进器效率如图 1-1（b）所示。与传统的推旋桨等）相比，泵喷推进器具有以下优点[8]：能好。泵喷推进器具有良好的噪声隐蔽性是由于：①泵喷，产生的导管内部噪声能够被导管所屏蔽与吸收。另外，子的进流，降低转子桨叶的非定常脉动载荷，降低推进的统螺旋桨的叶片直径，泵喷推进器的转子的直径较小，线速度可以降低推进器的低频噪声声压级。国内外研究表桨的相比，泵喷推进器具有较低的低频线谱噪声；高转速更为优秀突出。速高。预设航速意思是在水深一定时，水下航行器的推进能达到的最大航行速度。同时，泵喷推进器导管和定子叶流进行调整，从而使转子叶片所处流场的分布更为均匀，片状空化的产生起到了很好地推迟效果，也使 UUV 的低

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形成完整的体系，例如关于泵喷推进器水动力性能、空泡性能与间隙流场特性等的研究均处于起步研究阶段。图1-2 美国“海狼”级核潜艇的泵喷推进器图1-3 MK50鱼雷的泵喷推进器图1-4 MU90鱼雷的泵喷推进器

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雷等小型水下航行器主要的推进方式之一，例如美国的 ARL 公司为美国海RCⅡ项目成功研发出了第一个泵喷推进器，以及美国的 MK48 与 MK50 鱼雷3）、英国的 Spearfish、瑞典的 TP2000 型鱼雷以及欧洲鱼雷公司（EUROTORP0 鱼雷（如图 1-4），具体使用了泵喷推进器的鱼雷如表 1-1 所示。由于泵喷推于传统螺旋桨推进器有着明显的优势，关于泵喷推进器的设计理论、性能测试方面问题国外均已展开了较为全面的研究，对泵喷推进器的开发与研制能力较是国内对泵喷推进器技术的研究起步较晚，对于泵喷推进器许多关键技术还完整的体系，例如关于泵喷推进器水动力性能、空泡性能与间隙流场特性等的于起步研究阶段。图1-2 美国“海狼”级核潜艇的泵喷推进器

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