水下氣液兩相噴射推進(jìn)技術(shù)數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和減阻技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能艦船的航行速度得到了大幅提高，但同時也帶來了新的問題，即傳統(tǒng)水下推進(jìn)裝置由于受到空化、空蝕的影響，在高速航行條件下運(yùn)行性能較差，因此開發(fā)適用于高速航行環(huán)境的水下推進(jìn)技術(shù)成為一種迫切需求。水下氣液兩相噴射推進(jìn)技術(shù)不受空化影響，在高速航行環(huán)境下依然具有較好的運(yùn)行性能，滿足高性能艦船等對推進(jìn)技術(shù)的需求，受到極大關(guān)注。
　　依據(jù)工作介質(zhì)及工作原理的不同，水下氣液兩相噴射推進(jìn)可以分為：氣液兩相沖壓

2、推進(jìn)和噴霧推進(jìn)兩類，分別以泡狀和霧狀氣液兩相混合物為工作介質(zhì)。對于水下氣液兩相噴射推進(jìn)技術(shù)來說，噴管內(nèi)的氣液兩相流是產(chǎn)生推力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。
　　本文重點(diǎn)進(jìn)行噴管內(nèi)泡狀流數(shù)值模擬研究和水下氣液兩相沖壓發(fā)動機(jī)性能分析；同時對噴管內(nèi)霧狀流和水下噴霧發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行簡要分析，并把兩種發(fā)動機(jī)進(jìn)行對比，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)。具體研究工作如下：
　　基于均相流模型，引入 Rayleigh-Plesset方程考

3、慮流場中氣泡尺寸的變化，對噴管內(nèi)泡狀流進(jìn)行定常和非定常數(shù)值模擬。對噴管內(nèi)泡狀流進(jìn)行定常模擬分析，得到了初始?xì)馀莅霃健姽苋肟谔幒瑲饴始八俣葘α鲃拥挠绊懸?guī)律；對噴管內(nèi)泡狀流進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了臨界泡狀流特性，得到了初始?xì)馀莅霃?、噴管入口處含氣率及壓力對臨界泡狀流動的影響規(guī)律。
　　基于雙流體模型，引入兩相間的熱量傳遞方程和修正的Rayleigh-Plesset方程，考慮兩相間熱量傳遞對流動影響及流場中氣泡尺寸變化情況，對噴

4、管內(nèi)泡狀流進(jìn)行了定常數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果對比，驗證了數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法的正確性；在此基礎(chǔ)上，分別針對噴管入口處氣液兩相間具有一定速度和溫度差異的情況，對噴管內(nèi)泡狀流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明兩相間的速度差異和溫度差異在入口較短距離內(nèi)迅速減小，且對流場影響較小。
　　建立了水下氣液兩相沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)流場計算的數(shù)學(xué)模型，研究了發(fā)動機(jī)設(shè)計性能的影響因素，得到了發(fā)動機(jī)入口面積、混合腔與入口面積比、氣體質(zhì)量流率、航行速度、初始?xì)馀莅霃郊皣姽軈?shù)

5、對發(fā)動機(jī)設(shè)計性能的影響規(guī)律，為水下氣液兩相沖壓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。對水下氣液兩相沖壓發(fā)動機(jī)的非設(shè)計點(diǎn)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明實際運(yùn)行環(huán)境與設(shè)計環(huán)境存在一定差異時，發(fā)動機(jī)仍可提供較大的推力和較高的推進(jìn)效率。
　　基于雙流體模型，考慮兩相間的動量和熱量傳遞，對噴管內(nèi)霧狀氣液兩相流場進(jìn)行了定常數(shù)值模擬。針對收縮噴管內(nèi)亞聲速流場及縮放噴管內(nèi)超聲速流場分別進(jìn)行詳細(xì)分析，得到了噴管入口含氣率及液滴尺寸對噴管內(nèi)霧狀流場的影響規(guī)律。