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不同水深对水下斜切式喷管燃气射流影响分析

齐梓宇 李昊锟 张益敢 刘华坪 叶永晧

齐梓宇, 李昊锟, 张益敢, 等. 不同水深对水下斜切式喷管燃气射流影响分析[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 542-551 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030
引用本文: 齐梓宇, 李昊锟, 张益敢, 等. 不同水深对水下斜切式喷管燃气射流影响分析[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 542-551 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030
QI Ziyu, LI Haokun, ZHANG Yigan, LIU Huaping, YE Yonghao. Influence of Different Water Depths on Gas Jet of Underwater Scarfed Nozzle[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(3): 542-551. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030
Citation: QI Ziyu, LI Haokun, ZHANG Yigan, LIU Huaping, YE Yonghao. Influence of Different Water Depths on Gas Jet of Underwater Scarfed Nozzle[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(3): 542-551. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030

不同水深对水下斜切式喷管燃气射流影响分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(52276030).
详细信息
    作者简介:

    齐梓宇(1998-), 男, 硕士, 主要研究方向为水下高速射流技术

    通讯作者:

    刘华坪(1983-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为水下航行器流体动力学.

  • 中图分类号: TJ630; U674

Influence of Different Water Depths on Gas Jet of Underwater Scarfed Nozzle

  • 摘要: 通过斜切式喷管喷气进行推力矢量控制, 可以实现对航行器的姿态控制和轨迹调整, 提高其机动性能和稳定性。为探究斜切喷管在水下的工作状态, 基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积函数模型, 对不同水深条件下的斜切式喷管燃气射流的流场特性及推力特性开展仿真研究, 分析了燃气射流与水介质的相互作用过程以及喷管推力特性的变化。研究表明: 燃气泡经过4个阶段的发展之后, 形成顶部的气囊及喷口近场的锥形气体通道, 气囊边缘在剪切涡作用下脱离形成气团; 喷口波系的形态和位置随水深而变化, 射流边界受限于燃气泡边界, 二者相互作用, 导致射流后续演化的不稳定; 射流对平板壁面的影响呈非对称性, 长边侧受影响域大于短边侧; 同一时刻, 水深越大, 喷管推力数值越小, 推力方向波动越剧烈。研究结论可为推进水下推力矢量喷管的应用提供参考。

     

  • 图  1  计算模型

    Figure  1.  Computational model

    图  2  燃气泡头部顶点位移

    Figure  2.  Displacement of the apex of the head of the gas bubble

    图  3  不同网格量下监测点压力变化

    Figure  3.  Pressure changes at monitoring points with different grid numbers

    图  4  不同水深条件下气液边界及射流形态演化

    Figure  4.  Evolution of gas-liquid boundary and jet morphology under different water depth conditions

    图  5  不同阶段射流流场特征

    Figure  5.  Flow field characteristics of jet at different stages

    图  6  不同水深条件下喷管局部马赫数云图

    Figure  6.  contours of local Mach number of nozzles under different water depth conditions

    图  7  斜切喷管水下工作轴线参数分布曲线

    Figure  7.  Parameter distribution curves of underwater working axis of scarfed nozzle

    图  8  喷管出口局部温度和压力

    Figure  8.  Local temperature and pressure of nozzle outlet

    图  9  t=100 ms时底部壁面中线压力和温度曲线

    Figure  9.  Pressure and temperature curves at the midline of the bottom wall at t=100 ms

    图  10  喷管推力随时间变化曲线

    Figure  10.  Curves of nozzle thrust change with times

    图  11  推力方向随时间变化曲线

    Figure  11.  Curves of thrust angle change with times

    表  1  不同水深条件下喷管落压比

    Table  1.   Nozzle pressure ratios in different water depths

    H/mNPR
    540.6667
    2517.4286
    5010.1667
    757.1765
    1005.5454
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    表  2  推力角度波动值

    Table  2.   Fluctuations in thrust angle

    H/m波动范围/(°)稳定值(0.05 s) /(°)角度差值/(°)
    529.03~44.6043.221.78
    2530.10~43.4243.191.81
    5029.47~43.1743.051.95
    7529.79~43.0142.792.21
    10024.70~42.5442.492.51
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-21
  • 修回日期:  2024-04-08
  • 录用日期:  2024-05-07
  • 网络出版日期:  2024-05-21

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