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原文传递小型球形潜水器喷水推进系统设计及数值分析

论文题名：	小型球形潜水器喷水推进系统设计及数值分析
关键词：	小型球形潜水器;喷水推进系统;数值分析;运行参数
摘要：	本文针对小型球形潜水器因其完全对称的形状,在各个方向受到的阻力相同的特点,使用传统的螺旋桨或导管螺旋桨推进系统难以满足小型球形潜水器运行需求的难点问题,提出使用内流式的喷水推进系统用于小型球形潜水器的推进,喷水推进系统安装在潜水器的内部,由四个喷水推进装置组成喷水推进系统,喷水推进系统四个喷口设计在潜水器的后部,组成一个推进面,通过改变喷口喷射水流的流量,引起推进面的变形,操纵小型球形潜水器运动。这种设计方法能够很好地控制喷水推进泵产生的噪音,基本上不产生由于推进装置的安装增加的附体阻力。通过对这种全新的喷水推进系统形成推进面推进小型球形潜水器的推进方式研究,解决当今操纵小型球形潜水器的技术难题。　　目前,国内外的研究者对应用于大中型船舶的喷水推进系统进行了广泛深入的研究,对于本文应用于小型球形潜水器的小尺寸喷水推进系统推进小型球形潜水器方式、推进系统入口对小型球形潜水器的影响、喷水推进系统多个喷口喷射水流互相耦合对小型球形潜水器的影响和喷水推进系统驱动小型球形潜水器的运行参数等研究很少涉及。本文针对上述问题,结合小型球形潜水器的特点进行了研究,主要研究工作如下: 　　1、在参阅分析大量国内外潜水器、球形潜水器和喷水推进系统研究成果的基础上,分析了小型球形潜水器形状和水下运行阻力的特点,指出使用一个喷水推进装置形成的点推进方式和两个喷水推进装置的线推进方式很难达到小型球形潜水器运动需求,设计了使用喷水推进系统的面推进方式推进小型球形潜水器的方案,方案为小型球形潜水器内部进水,通过统一入口与外部流体交换水流,四个喷水推进装置布置在小型球形潜水器内部通过导管连接到壳体的喷口上,喷口喷射水流形成推进面,通过推进面变形推进小型球形潜水器运动。　　2、利用喷水推进系统的入口速度分布不均匀性现象与入口速度比IVR相关的特点,提出喷水推进系统使用统一入口降低IVR,来消除入口速度分布不均匀性现象对小型球形潜水器的影响这个技术难题。结合小型球形潜水器自身特点,应用FLUENT软件分析了喷水推进系统统一入口在不同IVR条件下,对小型球形潜水器航速的影响,即在IVR≤0.5时可以消除喷水推进系统统一入口速度分布不均匀性现象的出现。使用数值计算数据验证了优化方法的可行性,并对本文设计的喷水推进系统优化后的统一入口面积进行了数值计算,提出在小型球形潜水器最高速度达到1m/s时,小型球形潜水器统一的入口面积至少应该设计为50cm2。　　3、设计的喷水推进系统是由四个喷水推进装置组成推进面推进小型球形潜水器运动,四个喷口喷射出的水流互相的干扰不可避免的会对小型球形潜水器的运行产生影响,针对这个目前其他研究者很少涉及的问题,通过对喷水推进系统喷口喷射出来水流的理论分析,结合小型球形潜水器喷口设计的特点,提出当喷水推进系统相邻的两个喷口圆心与球心连线的的半角θ=2.480°时,能够最大可能地保证喷水推进系统为小型球形潜水器即能提供加速所需的最大效率推力,又能提供姿态调整的最大扭矩,减小喷射水流对小型球形潜水器影响的优化方法,并用数值分析的方法进行了仿真,仿真结果表明优化方案符合喷水推进系统喷口设计的要求。　　4、喷水推进系统设计在小型球形潜水器后部,由四个喷水推进装置的喷口喷射水流组成一个推进面推进小型球形潜水器运动,用数值分析的方法对推进面推进小型球形潜水器方式进行了详细的分析,通过与国内外的研究者研究的典型潜水器比较,小型球形潜水器喷水推进系统推进面操纵性能能够达到使用四个导管螺旋桨和方向舵的鱼雷形潜水器效果。　　5、由于设计小型球形潜水器直径为0.3m,潜水器内部的空间有限,安装在这个小型潜水器上的四个喷水推进装置为小尺寸推进泵,已经成型的大型喷水推进系统运行状况的研究结果不适用于这种小型的推进系统。本文通过壁面积分数值分析方法,结合试验得到了详细的小型球形潜水器喷水推进系统的运行状态数据,对喷水推进系统产生的垂直方向力学分量对推力和喷口压力的影响进行了分析,分析结果表明本文设计的喷水推进系统IVR≤0.5可以忽略这种影响,对喷水推进系统推进小型球形潜水器的空间运动进行了数值分析,分析结果表明喷水推进的小型球形潜水器能够实现空间运动,基本上能够实现原地回转,最小回转半径0.018m。
作者：	陈瑶
专业：	模式识别与智能系统
导师：	郭书祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文