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原文传递水下泵喷推进器设计方法与数值优化研究

论文题名：	水下泵喷推进器设计方法与数值优化研究
关键词：	水下航行体;泵喷推进器;优化设计;水动力性能
摘要：	泵喷推进器作为一种研究起步相对较晚的推进器，主要运用于军事领域，因其隐蔽性以及优良性能逐渐受到研究者的关注。随着近几年军转民的推进，泵喷也开始运用在中小型水下航行体上。但出于保密性和复杂性，国内外关于此的文献很少，所以对其进行设计理论、性能方面研究有利于民用中小型水下航行体的发展。本文是在国家重点研发项目“叶片泵多目标水力设计方法及气液两相增压输送关键技术”（2018YFB0606103）的资助下，利用正问题设计和反问题设计方法分别对泵喷推进器进行了设计，分别从设计方法基本原理、设计流程、数值模拟计算以及优化设计等方面展开，进行了对比分析，获得了更适合中小型航行体的泵喷推进器设计方法，本文主要研究内容及成果如下所示：　　1.阐述了泵喷研究的背景及意义，并从正问题设计和三维反问题设计两个方面总结归纳了相关设计理论及其水动力性能研究的发展与国内外研究现状。　　2.从正问题设计角度，首先推导出了升力法与升力线法的相关基本方程，构建了转子设计流程，并对定子和导管也进行了设计，根据设计目标要求，获得了两种方法得到的泵喷相关参数与模型。　　3.对这两种模型进行了结构化网格的划分以及网格无关性分析，验证了数值模拟可靠性，随后进行了数值模拟，结果表明：相比于通过升力线法得到的泵喷，升力法得到的泵喷，在中低航速下效率更高，其最高效率也更高，达到67.48%，二者高效区范围（η＞60%）大小几乎相同；从压力分布特性看，升力法设计的叶片更能延缓空泡现象产生，流体加速后在通道内融合程度更高，流动更加均匀，但对流体加速效果更不明显；从速度分布特性看，升力法得到的泵喷内流场更稳定，湍动能更小，从而能量损失更小，且喷出的射流相对较均匀，而升力线法得到的泵喷出口速度更大，产生推力也更大。由于本文是对应用于中小型水下航行体的泵喷进行研究，更侧重中低航速下工作，且出于对抗空泡能力和稳定性的考虑，因此选择了升力法得到的泵喷进行后续研究工作。　　4.基于Isight平台对升力法得到的模型进行了正问题优化工作，利用编写的脚本文件对UG、ICEM和CFX等软件进行了集成，并选择了PSO算法，选取J=1.06和J=1.17两种工况进行了自动优化，得到了以下结果：　　（1）相比优化前泵喷结构来说，优化后的转子轮毂比由0.4变为0.45，转子安放角度由64.9o变为69.66o，叶顶间隙由1mm变为1.9mm，转定子间隔由26.8mm增加到33.49mm，而定子部分安放角由77o增加到82o。　　（2）在水动力性能方面，相比于优化前，优化后泵喷选取得两种工况效率加权平均比优化前提高5.372%，最高效率提高了5.14%，推力加权平均提高5991.6N，提高约224.8N，在选中的工况下推力最大提升250N，且优化后泵喷整体推力系数及效率曲线整体向大进速方向偏移，最优工况点也稍稍偏移，高进速下效率下降变缓，这也使泵喷高效范围得到一定的拓宽。　　（3）在三维复杂流场方面，优化后的叶片进口边相比优化前更不易产生空泡，对流体加速作用提高，使流体获得的能量更高，加速后流体与主流融合程度更深、更均匀，产生的轴向速度相对更高，内部流场变得更加稳定，湍动能更小。　　5.利用三维反问题设计方法进行了泵喷推进器的设计，确定了三维流动的速度场，根据前文设计参数及目标完成了泵喷推进器设计。之后对模型进行了数值模拟，将其结果与正问题优化设计的结果进行了对比与分析，结论如下：　　（1）反问题设计法得到的泵喷推力更大，且定子产生负推力的工况点向大进速方向偏移，转定子匹配性更好。效率更高，最高效率为78.56%，比正问题优化设计得到的高出5.94%，高效区更宽且在中航速下效率值更加稳定。　　（2）反问题设计法得到的叶片压力在进口边处更易发生空泡现象，但易发生空泡区域相对更小，叶片对流体加速，使流体获得的能量更大，产生的推力更大，流体经过其作用后流速更高，与主流融合程度更高，更加高效。　　（3）反问题设计方法得到的泵喷能够产生更高的出口速度，且速度也更加稳定，尤其是在中高航速下表现更为优异。但是相比之下，内流场变得更加复杂，增加了其湍动能，从而能量损失也会较高。　　综上，针对中小型水下航行体使用的泵喷推进器，若侧重大推力和高效率，则选用反问题设计方法进行设计，若侧重稳定性及抗空泡性能，则采用正问题优化设计方法。
作者：	周运凯
专业：	动力工程
导师：	袁建平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文