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螺旋混流式潜航器泵喷矢量推进的俯仰动力学特性
| 论文题名： | 螺旋混流式潜航器泵喷矢量推进的俯仰动力学特性 |
| 关键词： | 喷水推进潜航器;螺旋混流泵;数值模拟;动网格;俯仰角;动力学特性 |
| 摘要： | 随着全球各国对深海资源的探索和军事方面需要，对于潜航器的操纵性要求也随之升高。操纵性作为潜航器综合性能的重要组成部分，尤其深度的改变对于潜航器的航行安全有着重要意义。潜航器在垂直面内的俯仰变深度运动过程中，直观的运动特性对潜航器操纵性分析和水动力性能研究有着重要意义。 本文以螺旋混流式喷水推进潜航器为研究对象。采用SSTk-?湍流模型和动网格技术对潜航器在变矢量偏转角过程的水动力特性进行研究，并将计算结果与试验进行对比，验证了数值方法的准确性。为了研究潜航器俯仰动力学特性，本文通过对潜航器水下受力分析建立了运动数学模型。然后采用数值计算的方法，通过编译UDF对潜航器在变航速、纵倾角运动过程进行数值模拟，对潜航器在复杂流场中的水动力性能特性进行了研究。本文主要研究结论如下： 1.首先采用数值计算和试验验证的方法，对潜航器水下直航运动工况下叶轮转速分别为1200rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm五个不同转速下喷水推进泵全流域下的推力、扭矩进行研究，研究表明：推进泵的推力、扭矩与转速均服从二次函数关系，数值计算结果对比试验结果基本符合。 2.通过对潜航器水下运动受力分析，将潜航器的运动与螺旋混流泵的几何参数及叶轮转速相结合，建立潜航器水下俯仰运动参数耦合条件下的动力学模型，并通过数值计算的方法得到转速与航速、推力的变化关系。 3.通过潜航器水下运动过程的分析，对不同转速下的潜航器航行速度进行离散，并将速度采用显式基于UDF加载到艇体，对潜航器艇体阻力和浮力进行数值模拟。研究表明：不同运动状态下的潜航器浮、阻力变化规律具有相似性，并且在运动初始阶段变化最大。 4.在潜航器调整纵倾角过程中，改变螺旋混流泵喷口与推进器中心轴之间的夹角，即矢量偏转角。通过数值计算得出变偏转角过程中俯仰力矩和阻力的变化趋势。研究表明：随着矢量偏角的逐渐增大，潜航器受到的阻力也随之增大，同时仰角运动状态时潜航器受到的阻力比俯角下的阻力大。 5.采用两相流数值模拟方法，研究自由液面在潜航器上浮至近水面时，潜航器水动力特性的变化。研究表明：潜航器总阻力随着兴波的变化先增大后逐渐减小。气液交界面与艇体之间的间距减小，水流流动加快，导致艇体表面出现压差，从而潜航器受到向上的吸力。对比不同仰角对兴波高度的影响，可以发现：12°仰角工况下自由液面兴波高度最大。 |
| 作者： | 张腾 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 韩伟;吴应德 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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