水下气液两相喷射推进技术数值模拟研究

随着结构优化设计和减阻技术的飞速发展,高性能舰船的航行速度得到了大幅提高,但同时也带来了新的问题,即传统水下推进装置由于受到空化、空蚀的影响,在高速航行条件下运行性能较差,因此开发适用于高速航行环境的水下推进技术成为一种迫切需求。水下气液两相喷射推进技术不受空化影响,在高速航行环境下依然具有较好的运行性能,满足高性能舰船等对推进技术的需求,受到极大关注。 依据工作介质及工作原理的不同,水下气液两相喷射推进可以分为:气液两相冲压推进和喷雾推进两类,分别以泡状和雾状气液两相混合物为工作介质。对于水下气液两相喷射推进技术来说,喷管内的气液两相流是产生推力的关键环节,也是进行发动机性能分析的重点和难点之一。本文重点进行喷管内泡状流数值模拟研究和水下气液两相冲压发动机性能分析;同时对喷管内雾状流和水下喷雾发动机性能进行简要分析,并把两种发动机进行对比,分析各自优缺点。具体研究工作如下: 基于均相流模型,引入Rayleigh-Plesset方程考虑流场中气泡尺寸的变化,对喷管内泡状流进行定常和非定常数值模拟。对喷管内泡状流进行定常模拟分析,得到了初始气泡半径、喷管入口处含气率及速度对流动的影响规律;对喷管内泡状流进行非定常数值模拟,重点分析了临界泡状流特性,得到了初始气泡半径、喷管入口处含气率及压力对临界泡状流动的影响规律。 基于双流体模型,引入两相间的热量传递方程和修正的Rayleigh-Plesset方程,考虑两相间热量传递对流动影响及流场中气泡尺寸变化情况,对喷管内泡状流进行了定常数值模拟,与实验结果对比,验证了数学模型和数值方法的正确性;在此基础上,分别针对喷管入口处气液两相间具有一定速度和温度差异的情况,对喷管内泡状流进行了数值模拟,结果表明两相间的速度差异和温度差异在入口较短距离内迅速减小,且对流场影响较小。 建立了水下气液两相冲压发动机内流场计算的数学模型,研究了发动机设计性能的影响因素,得到了发动机入口面积、混合腔与入口面积比、气体质量流率、航行速度、初始气泡半径及喷管参数对发动机设计性能的影响规律,为水下气液两相冲压发动机结构优化设计提供了理论依据。对水下气液两相冲压发动机的非设计点性能进行了分析,结果表明实际运行环境与设计环境存在一定差异时,发动机仍可提供较大的推力和较高的推进效率。 基于双流体模型,考虑两相间的动量和热量传递,对喷管内雾状气液两相流场进行了定常数值模拟。针对收缩喷管内亚声速流场及缩放喷管内超声速流场分别进行详细分析,得到了喷管入口含气率及液滴尺寸对喷管内雾状流场的影响规律。 建立了水下喷雾发动机内流场计算的数学模型,研究了发动机设计性能的影响因素,得到了航行速度、入口压力、液滴直径、气相质量流率、液相质量流率及喷管形状等参数对发动机设计性能的影响规律,为水下喷雾发动机优化设计奠定基础。对水下喷雾发动机的非设计点性能进行了分析,结果表明实际运行环境与设计环境存在一定差异时,发动机仍然可以正常工作,并具有较大的推力和较高的推进效率。