高壓大流量射流反推力力學特性及流場特性研究

《高壓大流量射流反推力力學特性及流場特性研究》是依託華中科技大學，由朱玉泉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高壓大流量射流反推力力學特性及流場特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱玉泉
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

研究探索採用高速大流量射流產生的反推力作為水下航行器新型推進動力。噴水推進的推力是由水泵從水下航行器的前端吸入水介質，加壓後經管道傳輸到尾噴管向航行器的尾端噴出中高壓大流量水射流產生的反作用力來獲得；並通過操縱舵及導航設備分配和改變射流方向來實現航行器的操縱。研究高壓大流量噴水推進系統的力學特性，探索輸出流量、壓力與反推力、推進效率之間的函式關係。研究不同結構噴嘴形成的水射流流場特性對反推力、噴射空氣輻射噪聲、推進效率等之間的內在關係；探索泵的最佳輸出流量和壓力，最優的噴嘴結構尺寸，儘可能獲得最優的推進性能。研究從航行器的前端吸入水流的流場特性和減阻機理。本研究項目對於水下航行器的推進，乃至未來的海洋開發工程，都具有重要的理論意義；為水下推進的工程套用提供充分的理論和實驗依據，對發展中高壓大流量噴水推進技術在深海高圍壓極限條件下的深潛推進套用具有重要的戰略意義。

結題摘要

高壓大流量水射流反推力技術用於水中航行器是一種創新性的嘗試，相比傳統的水中推進技術，高壓大流量水射流具有流速高的特點，根據動量原理，在流量相同的條件下，可以產生較大的反推力。根據高壓大流量水射流反推力技術的工作原理和特點，主要開展了如下研究工作：⑴ 根據動量定理和靜壓原理，建立了高壓大流量水射流反推力的數學理論模型，該理論模型說明水射流反推力主要與射流速度、射流流量、噴嘴口徑、噴嘴入口壓力有關；⑵ 以能量損失最小為約束條件，以相同輸入流量和壓力而獲得最大射流反推力最大為最佳化目標，建立了噴嘴最佳化方程，並進行了最佳化分析，最終得到最優結構的噴嘴；⑶ 噴嘴是高壓大流量水射流反推力技術中一個主要的能量損失元件，其中包括汽蝕能量損失和結構能量損失，分別研究有汽蝕現象和無汽蝕現象的汽蝕能量損失特徵，以及不同結構噴嘴（圓柱噴嘴、圓錐噴嘴、餘弦曲面噴嘴、最優結構噴嘴）在不同輸入流量和輸入壓力條件下的結構能量損失，並進行了相應的仿真分析和實驗研究；⑷ 根據湍流射流原理，分析了射流水舌的特徵，並在不同輸入壓力下，仿真了水舌長度與輸入壓力的關係，從而間接可得到射流反推力與水舌長度的關係；⑸流量和壓力作為噴嘴進口的主要條件，對射流反推力有決定性的作用，通過仿真計算表明，射流反推力幾乎隨著流量的增加而線性增加，隨著壓力的增加而增加，但噴嘴中的能量損失也增加；⑹ 研製出的高壓水泵採用了端面斜盤連桿式結構作為傳動機構，與普通高壓水泵相比，具有功率密度大、排量大等特點，非常適合作為高壓大流量射流推進技術的核心動力元件；⑺ 為了驗證水射流反推力的理論分析結果，研製了高壓大流量射流噴水推進推力靜態測試裝置，通過該實驗裝置，進行了不同結構噴嘴的射流反推力-流量、射流反推力-壓力的實驗，分析了進口流量、進口壓力和噴嘴孔徑對射流反推力的影響，結論與仿真計算結果相符；⑻ 同時，為了檢測動態反推力，進行了船模系泊實驗和自航實驗，實驗結果也和仿真計算結果相符。通過這些基本關鍵計算的研究，為後續高壓大流量水射流反推力技術的深入研究奠定了良好的理論基礎，為高壓大流量水射流反推力技術的實際的套用提供了理論依據。