動(dòng)力系統(tǒng)作為水下航行器的“心臟”一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),近年來,隨著減阻技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的快速發(fā)展,高性能艦船及水下航行器的速度得到大幅提升,同時(shí)也對水下推進(jìn)裝置提出了更高要求。在此背景下,本文以一種新型水下氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象,采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對其工作過程和工作特性進(jìn)行深入研究。首先,通過分析氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程,建立了氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán),定義了評估理想發(fā)動(dòng)機(jī)性能的四個(gè)參數(shù):能量轉(zhuǎn)化效率、推進(jìn)效率、總效率和比沖,研究了氣體壓縮過程、航行速度、氣/水質(zhì)量比、航行深度對發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能的影響。其理論性能具有如下特點(diǎn):推進(jìn)效率高是該發(fā)動(dòng)機(jī)主要的性能優(yōu)勢,其理論值一般在50%-95%;總效率一般隨航行速度的增加而減小,隨氣液質(zhì)量比的增大而減小,隨航行深度的增大而減小,其理論值一般在35%到55%之間;氣液質(zhì)量比一定時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)存在一個(gè)最優(yōu)速度使得比沖最大,比沖峰值可以達(dá)到400s以上;航行深度的增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)背壓的增大,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,因此,氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的適用范圍為水深不超過10m。其次,通過研究氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)混合腔中氣泡的生成過程,建立了更為完備的氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一維穩(wěn)態(tài)模型,可以根據(jù)流場條件和通氣參數(shù)較為準(zhǔn)確地預(yù)測氣泡初始半徑,根本上改進(jìn)了僅根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估氣泡初始半徑的發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)示方法,并通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性�；谠撃Ｐ�,對氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)行性能預(yù)示,主要結(jié)論為:氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件對氣泡初始半徑影響顯著,而氣泡初始半徑大小對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能也有一定影響,因此氣泡生成模型對發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測具有重要作用;在氣泡生成過程中,浮力和重力對氣泡初始半徑的影響微弱,即可將模型簡化為二維模型;在氣體質(zhì)量流率一定的情況下,氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推力及比沖均隨著航行速度的增大先增大后減小;氣孔直徑較小的氣泡發(fā)生器有利于氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高,但是當(dāng)氣孔直徑小于1毫米時(shí),此種增益是可以忽略的。最后,利用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場的流動(dòng)特性隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件的變化規(guī)律,重點(diǎn)研究了考慮氣蝕效應(yīng)后的氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性。主要結(jié)論為:采用壁面通氣的氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)存在明顯的氣液分層現(xiàn)象;當(dāng)航行速度較高時(shí)(32m/s),氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)入口附近會(huì)產(chǎn)生氣蝕并造成嚴(yán)重的總壓損失,導(dǎo)致擴(kuò)張段下游產(chǎn)生流動(dòng)分離,發(fā)動(dòng)機(jī)性能急劇降低;通過增大氣體質(zhì)量流率,氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場的壓力將會(huì)隨之升高,氣蝕效應(yīng)被抑制;提高注入發(fā)動(dòng)機(jī)氣體的溫度,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力及比沖均增大,但是發(fā)動(dòng)機(jī)效率急劇降低。
【學(xué)位單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：U664.1;TJ6
【部分圖文】：

圖1.14氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖[9]以上介紹的氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)均是通過壓縮將能量傳遞給氣體，還有一型的發(fā)動(dòng)機(jī)是通過燃燒或者加熱使氣體的能量增大，然后再與水流混合形成流并產(chǎn)生推力。解密資料顯示[10,11,30]，美國海軍在1950年至1960年間對LCLO為固體燃料的水下兩相推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究。如圖1.15所示為Hydroduct的基本構(gòu)型，包括擴(kuò)張式進(jìn)水道、彈體、通水、ALCOL燃料、點(diǎn)火器、燃燒室和尾噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)通過鋁熱劑燃燒加熱海水

流混合后形成泡狀流進(jìn)入試驗(yàn)噴管。圖1.25氣泡加力噴水發(fā)動(dòng)試驗(yàn)中為了方便觀測噴管中的內(nèi)部流圖1.26所示，噴管上布有測壓孔。在實(shí)驗(yàn)過程注入以達(dá)到更加均勻的氣泡分布，如圖1.27所

工作條件的變化關(guān)系，以期對氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的殊說明的情況下，氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的航行速度、航100m/s、0、300K。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)所處的環(huán)境壓力為的增加環(huán)境壓力的變化規(guī)律近似按照a 03為海水密度，2為海平面重力加速度。體壓縮過程對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響們討論壓氣機(jī)壓縮氣體時(shí)的多變指數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)不同壓縮過程雖然達(dá)到的最終狀態(tài)相同，但是付出也不同�？紤]極限情況，若 ，即等溫過程，氣體熱量向外散失，壓氣機(jī)除了壓縮氣體增大氣體壓力外的能量轉(zhuǎn)化效率為1，若 （取=1.4），即絕熱過部轉(zhuǎn)變成了自身的內(nèi)能，因而溫升最大，壓氣機(jī)除了，還增加了氣體的內(nèi)能，此時(shí)能量轉(zhuǎn)化效率最低。

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本文編號：2831447