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航行器水面滑行喷水推进特性研究

刘富强 周霖仪 孙元 闫靠

刘富强, 周霖仪, 孙元, 等. 航行器水面滑行喷水推进特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 305-315 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007
引用本文: 刘富强, 周霖仪, 孙元, 等. 航行器水面滑行喷水推进特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 305-315 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007
LIU Fuqiang, ZHOU Linyi, SUN Yuan, YAN Kao. Water-jet Propulsion Characteristics of Vehicle Planing[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 305-315. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007
Citation: LIU Fuqiang, ZHOU Linyi, SUN Yuan, YAN Kao. Water-jet Propulsion Characteristics of Vehicle Planing[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 305-315. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007

航行器水面滑行喷水推进特性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007
详细信息
    作者简介:

    刘富强(1995-), 男, 硕士, 研究方向为水下航行器设计及水中兵器定位与回收

  • 中图分类号: TJ630; U661.1

Water-jet Propulsion Characteristics of Vehicle Planing

  • 摘要: 基于STAR-CCM+软件, 采用剪切应力传输 k-ω 湍流模型、多重参考系模型和理想水泵模型构建航行器水面滑行喷水推进数值仿真模型, 并进行了可行性验证。基于理想水泵模型对内流道单侧进水特性进行仿真, 用理想水泵特征压差的大小来表征轴流水泵吸水能力。并对航行器在不同压差和不同浸没深度水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。结果表明, 理想水泵模型对轴流水泵吸水具有较好的仿真效果; 对比不同特征压差航行器内流道的流体动力特性, 发现随着压力值的增大, 内流道阻力明显增大, 内流道升力几乎不变; 在不同浸没深度水面滑行数值仿真中, 当进水口浸没深度大于20 mm时, 内流道进水效果不再受浸没深度影响。研究结果可为航行器水面滑行喷水推进工程应用提供参考。

     

  • 图  1  航行器静水面液面示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of static water level of a vehicle

    图  2  滑水试验照片与数值仿真对比

    Figure  2.  Comparison of experiment photo and numerical simulation

    图  3  周向进水水下航行器模型示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of circumferential inlet undersea vehicle model

    图  4  双模航行器水面滑行效果图

    Figure  4.  Rendering of a dual-mode vehicle planing

    图  5  航行器尾部结构以及电动力喷水推进模型

    Figure  5.  Tail structure of a vehicle and electro-dynamic water-jet propulsion model

    图  6  航行器网格局部

    Figure  6.  Local mesh of a vehicle

    图  7  不同$ \boldsymbol{\Delta P} $下航行器水面滑行密度云图

    Figure  7.  Density contours of vehicle planing under different $ \boldsymbol{\Delta P}$

    图  8  不同ΔP下航行器水面滑行压力云图

    Figure  8.  Pressure contours of vehicle planing under different ΔP

    图  9  不同ΔP下航行器水面滑行速度云图

    Figure  9.  Vehicle contours of vehicle planing under different ΔP

    图  10  h=2 mm时航行器主体初始状态密度云图

    Figure  10.  Density contour of main body of the vehicle at initial state with h=2 mm

    图  11  h=2 mm时航行器稳态密度和速度云图

    Figure  11.  Steady-state density and velocity contours of vehicle inlet at h=2 mm

    图  12  不同浸没深度航行器水面滑行密度云图

    Figure  12.  Density contours of vehicle planing at different immersion depths

    图  13  不同浸没深度航行器水面滑行速度云图

    Figure  13.  Velocity contours of vehicle planing at different immersion depths

    表  1  不同网格数量特定工况水面滑行阻力特性

    Table  1.   Drag characteristics of planing at a specific condition under different mesh quantity

    网格数量Fd/N
    360万628.3
    450万530.8
    570万539.6
    684万540.2
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    表  2  不同ΔP下航行器水面滑行理想水泵推力与总阻力

    Table  2.   Ideal pump thrust and total drag for vehicle planing under different ΔP

    P/kPa Ttx/N Fd/N
    0 0.0 153.2
    20 178.8 341.6
    30 268.1 395.8
    40 357.5 445.6
    50 446.9 483.7
    60 536.3 539.6
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    表  3  不同$ \boldsymbol{\Delta P} $下航行器喷水特性及流体动力特性

    Table  3.   Water-jet characteristics and hydrodynamic characteristics of a vehicle under different $\boldsymbol{\Delta P}$

    $\Delta P$/kPaM/(kg/s)vout/(m/s)Fd/NFd_out/NFd_in/NFl/NFl_out/NFl_in/N
    00.3471.59153.20153.80−0.57338.8358.3−19.5
    2026.7007.30341.60149.20192.40333.5411.0−77.5
    3031.7008.85395.80148.60247.20332.2413.4−81.2
    4035.8009.74445.60146.70298.90328.7412.8−84.1
    5039.10010.69483.70146.10337.60317.9406.6−88.7
    6043.10011.64539.60145.70393.90314.8404.2−89.4
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    表  4  不同ΔP下航行器水平推力和阻力特性

    Table  4.   Horizontal thrust and drag characteristics of the vehicle under different ΔP

    P/kPa Ttx/N Fd_b/N Fd_t/N
    60 536.3 539.6 694.6
    70 625.7 583.6 738.6
    80 715.0 622.3 777.3
    90 804.4 650.5 805.5
    100 893.8 683.2 838.2
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    表  5  航行器不同浸没深度水面滑行流体动力特性

    Table  5.   Hydrodynamic characteristics of vehicle planing at different immersion depths

    h/mmM/(kg/s) vout/(m/s) Fd/NFd_out/NFd_in/NFl/NFl_out/NFl_in/N
    233.358.266140621−133−36−97
    2052.214.054439505−6531−96
    4051.713.957669506−6535−100
    6051.614.261910951063163−100
    8051.614.2637118519163266−103
    10051.713.9650142509299396−97
    12051.213.9660153507340439−99
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-25
  • 修回日期:  2022-04-11
  • 网络出版日期:  2022-09-26

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