水下燃气射流数值仿真与试验研究

发布时间：2020-10-10 01:42

　　有动力发射方式以其出水速度大、机动能力强、宽发射深度等优点,成为各类潜射导弹发射方式的发展方向。发射过程中形成的水下气体射流涉及到气液两相之间的相互作用,复杂的激波结构及激波运动,频带宽、声压大的排气噪声。水下燃气射流在试验研究、理论研究和数值仿真研究方面都具有很高的学术价值。为了研究水下燃气射流流动过程、压力特性和噪声特性,本文建立了水下超音速燃气射流流场的数学模型。运用VOF方法追踪气-液两相流的相界面迁移过程,并针对射流的高雷诺数特点,选用标准k-?湍流模型对雷诺平均Navier-Stokes方程进行封闭。仿真使用试验条件作为边界条件,得到了射流的四个典型流动过程、射流场静压脉动强度分布、喷管出口压强特性,验证了试验的可行性与合理性;通过分析射流压力波峰值的衰减特性,证明本文所设计的试验结构是合理的。利用FW-H噪声预报模型,对水下超声速燃气射流的噪声进行了模拟计算。计算结果表明:尾流场声压将出现周期性脉冲,且声压峰值随着接收点距离的增加而快速衰减;水下超音速气体射流的噪声是一种宽频噪声,噪声声压级随着频率的增加而衰减;水下超音速气体射流噪声声压级峰值随着接收点距离的增加而快速衰减;噪声声压级峰值随着水深的增加而减小,随着总温的增加而增加。在仿真结果证明试验系统的可行性后,本文完成了水下超声速燃气射流试验研究系统设计,包括试验水箱结构设计、喷管组件设计、测试系统设计、供气系统设计以及摄影系统设计。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ760.6
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 论文研究的背景及意义
    1.2 国内外的研究现状
        1.2.1 水下超声速气体射流过程的研究
        1.2.2 水下超声速气体射流噪声的研究
    1.3 本文主要研究内容
第2章水下超音速气体射流的数值计算模型及求解方法
    2.1 物理模型
    2.2 计算方法
        2.2.1 离散化方法
        2.2.2 离散格式
        2.2.3 流场计算方法
    2.3 数学模型
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 湍流的近壁处理
        2.3.4 多相流模型
    2.4 计算模型
        2.4.1 入口边界
        2.4.2 出口边界
        2.4.3 壁面边界
        2.4.4 网格划分
    2.5 数值稳定条件及收敛条件
        2.5.1 稳定条件
        2.5.2 收敛条件
    2.6 本章小结
第3章流场仿真及结果分析
    3.1 仿真模型
    3.2 计算条件
    3.3 数值模拟结果及分析
        3.3.1 流场结构分析
        3.3.2 尾流场静压的压强脉动强度
        3.3.3 尾流场静压的频谱分析
        3.3.4 喷管出口压强和马赫数
    3.4 试验装置结构合理性验证
    3.5 本章小结
第4章噪声预测及结果分析
    4.1 引言
    4.2 FW-H模型
    4.3 噪声仿真结果及分析
        4.3.1 水下超音速气体射流噪声声压曲线
        4.3.2 水下射流的噪声声压级趋势
        4.3.3 不同工作条件的声压趋势
    4.4 本章小结
第5章试验系统设计
    5.1 引言
    5.2 试验系统示意图
    5.3 试验水箱结构设计
        5.3.1 设计参数的确定
        5.3.2 容器壁厚的计算
        5.3.3 容器封头的设计
        5.3.4 试验水箱附件设计
        5.3.5 试验水箱结构
    5.4 喷管组件设计
    5.5 测试系统设计
    5.6 供气系统
    5.7 高速摄影系统
    5.8 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢

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