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作者：

谷浪

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摘要：

为增强鱼雷的作战能力,各国纷纷装配了新型推进装置——泵喷推进器,该推进器不仅能够有效地降低推进器的辐射噪声,而且能够保持极高的推进效率,使鱼雷的续航能力,快速性和隐身性得到明显提升.泵喷推进器的高效,低噪的特点是由其独特的结构所致,定转子的有效配合可以极大增强推进器的做功效率,导管则起到了噪声屏蔽作用.为了深入地探究泵喷的工作原理,水动力特性以及设计方法等,本文基于螺旋桨的升力线/升力面设计原理,面元法以及CFD方法,开展了泵喷推进器的水动力性能预报,流体仿真,雷泵一体的水动力预报方法,泵喷叶片设计方法,导管优化设计方法,以及在雷尾环境下的泵喷实效伴流设计方法等研究工作,具体如下:1.采用用面元法建立了定常水动力干扰模型,将泵喷分为转子-桨毂和定子-导管两个系统,系统间的干扰通过诱导速度进行考虑.针对鱼雷泵喷定转子的几何外形,提出了基于圆台面的叶片网格划分方法.将该数值模型用于前置定子泵喷推进器的水动力数值预报,并与试验结果进行了对比.结果表明本文基于面元法建立的泵喷推进器数值模拟方法,可以对前置定子泵喷的水动力性能进行有效地数值计算,但后置定子泵喷的计算结果存在较大误差,原因在于没有考虑泵喷梢隙涡流动的影响.2.为了探究泵喷的工作机理,并为后续的势流方法研究工作提供可靠的对比验证手段,基于CFD方法开展了泵喷的相关数值模拟研究.首先对CFD方法的计算结果准确性进行了验证,利用标准敞水螺旋桨的试验结果,分析了 CFD方法的网格不确定度以及网格类型对计算结果的影响.在此研究的基础上,对前置定子泵喷推进器进行了敞水工况下的推进性能预报,计算结果与试验结果基本吻合,然后采用相同的计算策略对后置定子进行了水动力性能预报以及流场特性的研究.最后,开展了平板间隙流动的数值模拟,初步探究了间隙涡结构的运动轨迹以及间隙区域的流场压力特性.3.为提高势流预报方法的计算精度,基于间隙流动的仿真研究,提出了适用于泵喷平顶式叶片的梢部泄露涡模型,并改进了泵喷性能预报数值模型.通过从后置定子泵喷的压力,环量以及推进性能等方面的结果对比发现,梢隙涡数值模型可以有效地模拟泄露涡对周围以及下游定子绕流的影响,且梢隙涡的影响程度与进速系数和转子梢部的弦向环量值有关.当泵喷考虑梢涡的影响时,转子叶片的整体环量分布以及梢部载荷更接近实际情况,性能曲线与粘流结果吻合良好.最后将该方法用于前置定子泵喷推进器的水动力数值预报,并与试验结果进行了对比.结果表明改进后的泵喷推进器数值计算方法,可以对前置定子和后置定子泵喷推进器的绕流场进行有效地数值计算,并获得精度较高的水动力性能预报结果.为了在泵喷设计初期,为导管的主尺度选型提供依据,采用变参数分析方法,分别对导管的攻角,拱度以及间隙高度进行了系统研究,从泵喷的性能曲线,流场速度分布以及压力分布等方面,深入地探讨了这三种几何尺寸的变化所带来的影响,并分别给出了建议取值范围.4.根据鱼雷泵喷推进器的结构特点,针对倾斜流场边界情况,给出了基于螺旋桨设计原理的泵喷转子和定子叶剖面选取方法,通过总结泵喷转子与螺旋桨的性能差异,定子的工作原理,分别确定了转子和定子的叶片环量分布形式.然后基于导管尺度的变参数研究内容,进行了包括导管主尺度参数,叶片直径及毂径比的初步选型研究工作.最后基于泵喷叶片设计方法与泵喷水动力面元法预报程序,针对MK48鱼雷的设计要求及设计工况,进行了实尺度的泵喷推进器设计,并对设计方案的叶片环量和压力分布,尾流场特性以及敞水性能进行评估.评估结果表明,在给定主机转速和航速下,泵喷设计方案满足推力和主机功率要求,其定子能够平衡转子扭矩并回收转子尾流的旋转势能.5.为了开展泵喷推进器在雷尾环境下的实效伴流场设计,以势流理论无升力体和有升力体面元法为基础,并结合诱导速度迭代法,对雷体和泵喷的相互作用过程进行了数值模拟.以MK48裸雷体为模型,分别计算雷体在泵喷盘面的标称伴流场和实效伴流场,并预报了泵喷在雷尾环境中的水动力性能,通过将计算结果与CFD结果对比,验证了无升力体诱导速度计算方法以及泵喷与雷体系统干扰数值模型的准确性和有效性.6.最后采用雷体-泵喷一体化数值模型,并结合泵喷设计方法,对MK48鱼雷进行了泵喷实效伴流设计,在实效伴流设计方案的基础上,对导管进行了优化改进设计.通过对三维机翼面元法设计原理进行改进,提出一种以改变轴向力系数为设计目标的泵喷导管剖面型线优化设计方法.优化前后设计方案的推进性能预报结果显示,实效伴流设计方案在兼顾了伴流及叶片空化性能之后,推进效率较敞水设计方案有所降低,但经过导管的优化设计后,导管阻力得到明显降低,推进器整体效率提升,高速适应性得到了增强,最终设计方案效率达到了 0.84.

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关键词：

鱼雷 泵喷推进器 设计 水动力性能

年份：

2019