泵喷推进器水动力性能数值模拟

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泵喷推进器是近年来发展起来的一种推进器,具有推进效率高,辐射噪声低,临界航速高的优点。由于这些优点,越来越多的水下航行器上开始使用这种推进器,尤其是核动力潜艇和高速鱼雷上,这些为泵喷推进器的研究提供了必要。随着CFD理论和数值技术的大力发展,为泵喷推进器的性能预报提供了重要研究手段。本文采用FLUENT流体力学商用计算软件对泵喷推进器的定常和非定常性能进行数值预报。首先,采用MRF方法分别对DTMB P4119螺旋桨、Ka4-5512+No.19A和Ka4-7008+JD7704导管螺旋桨定常水动力性能进行数值预报,通过与实验结果的对比,验证了本文所采用的网格技术和CFD数值计算方法的精度和有效性。其次,采用混和面方法对吊舱推进器定常和准定常性能分别进行了数值预报。通过与定常性能试验结果对比,验证了该CFD数值技术精度和可靠性。同时,采用混和面法对推进器进行了拟定常性能的预报,准确地分析了螺旋桨与吊舱的相互作用规律,以及推进器性能的变化特性。采用混和平面方法对带前置定子的泵喷推进器定常水动力性能进行了数值预报、分析;在验证数值模拟结果精度基础上,深入分析了定子及螺旋桨几何参数变化对推进器整体性能的影响规律。最后,采用滑移面方法对带前置定子的泵喷推进器的湍流流动特性和非定常水动力性能进行研究,并详细推导了泵喷推进器非定常脉动力频率与叶数的计算关系式。研究结果表明,泵喷推进器的定常水动力性能和非定常脉动频率都和定子以及转子的参数有直接关系。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6页
第一章 绪论第11-19页
    1.1 研究目的和意义第11页
    1.2 泵喷推进器的研究现状第11-16页
        1.2.1 后置定子泵喷推进器的研究现状第12-14页
        1.2.2 前置定子泵喷推进器的研究现状第14-16页
    1.3 本论文的研究内容第16-18页
        1.3.1 P4119 螺旋桨定常水动力性能数值模拟第16-17页
        1.3.2 吊舱推进器水动力性能数值模拟第17页
        1.3.3 导管桨定常水动力性能数值模拟第17页
        1.3.4 泵喷推进器定常水动力性能数值模拟第17页
        1.3.5 泵喷推进器非定常水动力性能数值模拟第17-18页
    1.4 小结第18-19页
第二章 计算流体力学的基本原理和软件介绍第19-33页
    2.1 概述第19-20页
    2.2 雷诺平均 N-S 方程的基本理论和应用第20-30页
        2.2.1 控制方程第20-21页
        2.2.2 控制方程的离散第21-29页
        2.2.3 RNG k-ε 湍流模型第29页
        2.2.4 SST k-ω 湍流模型第29-30页
    2.3 FLUENT 软件简介第30-32页
        2.3.1 FLUENT 软件发展与应用第30-32页
    2.4 小结第32-33页
第三章 单桨定常水动力性能计算第33-38页
    3.1 数值计算方法第33-35页
        3.1.1 几何模型的建立第33-34页
        3.1.2 网格划分第34页
        3.1.3 边界条件设置和计算设置第34-35页
    3.2 计算结果和分析第35-37页
        3.2.1 水动力性能分析第35-36页
        3.2.2 叶剖面压力分布第36-37页
    3.3 小结第37-38页
第四章 吊舱推进器水动力性能模拟第38-51页
    4.1 概述第38页
    4.2 吊舱推进器基本特征和参数第38-39页
    4.3 网格的创建第39-40页
    4.4 计算模型及参数的选择第40页
    4.5 混合面(mixing plane)计算结果第40-44页
        4.5.1 J=0.5 计算结果第40-41页
        4.5.2 J=0.6 计算结果第41-42页
        4.5.3 J=0.7 计算结果第42页
        4.5.4 J=0.8 计算结果第42-43页
        4.5.5 J=0.9 计算结果第43-44页
    4.6 吊舱推进器敞水特征第44-46页
        4.6.1 吊舱推进器敞水特性曲线第44-45页
        4.6.2 桨榖、吊舱、支架阻力第45页
        4.6.3 桨榖、吊舱以及支架的侧向力第45-46页
    4.7 吊舱推进器拟定常计算第46-50页
        4.7.1 桨叶不同角度时的推力扭矩计算结果第47-48页
        4.7.2 吊舱和支架受力第48-50页
    4.8 小结第50-51页
第五章 导管桨定常水动力性能的预报第51-59页
    5.1 概述第51页
    5.2 Ka4-5512+No.19A 导管桨模型第51-54页
        5.2.1 Ka4-5512+No.19A 导管桨的基本参数第51-52页
        5.2.2 导管的几何形状第52页
        5.2.3 几何模型和网格的创建第52-53页
        5.2.4 边界条件和计算参数的设置第53-54页
    5.3 数值计算结果第54-56页
        5.3.1 水动力系数的定义第54页
        5.3.2 敞水性征计算结果第54-55页
        5.3.3 流场分析第55-56页
    5.4 其它算例验证第56-58页
        5.4.1 Ka4-5512+JD7704 导管桨的计算第56-57页
        5.4.2 Ka4-5512+JD7704 导管桨计算结果第57-58页
    5.5 小结第58-59页
第六章 泵喷推进器定常性能计算第59-71页
    6.1 概述第59页
    6.2 计算方法第59-62页
        6.2.1 几何模型第59-60页
        6.2.2 计算网格第60-62页
        6.2.3 边界条件第62页
    6.3 计算结果及分析第62-70页
        6.3.1 泵喷推进器水动力性能计算结果第62-64页
        6.3.2 定子安装角对敞水性能影响规律第64-67页
        6.3.3 定子叶厚对敞水性能影响规律第67-68页
        6.3.4 定子叶数对敞水性能影响规律第68-70页
    6.4 小结第70-71页
第七章 泵喷推进器非定常性能计算第71-92页
    7.1 概述第71页
    7.2 非定常脉动力频率理论分析第71-78页
        7.2.1 侧向力 Fy 和 Fz 的脉动频率分析第72-76页
        7.2.2 轴向力 Fx 的脉动频率分析第76-77页
        7.2.3 转矩 Mx 和弯矩 My、Mz 的脉动频率分析第77页
        7.2.4 各个推进器脉动频率第77-78页
    7.3 非定常模拟计算设置第78-79页
    7.4 9 叶定子,3 度定子安装角计算结果第79-83页
        7.4.1 计算结果第79页
        7.4.2 水动力结果及其脉动频率分析结果第79-81页
        7.4.3 流动特性结果 .第81-83页
    7.5 9 叶定子,9 度定子安装角计算结果第83-85页
        7.5.1 计算结果第83页
        7.5.2 水动力结果及其脉动频率分析结果第83-85页
    7.6 7 叶定子,3 度定子安装角计算结果第85-87页
        7.6.1 计算结果第85页
        7.6.2 水动力结果及其脉动频率分析结果第85-87页
    7.7 11 叶定子,3 度定子安装角计算结果第87-89页
        7.7.1 计算结果第87-88页
        7.7.2 水动力结果及其脉动频率分析结果第88-89页
    7.8 结果分析第89-90页
        7.8.1 定子安装角对非定常性能的影响第89-90页
        7.8.2 定子数量对非定常性能的影响第90页
    7.9 小结第90-92页
第八章 总结第92-95页
    8.1 总结第92-93页
    8.2 未来工作的展望第93-95页
参考文献第95-97页
攻读硕士学位期间发表或录用的论文第97-98页
致谢第98-99页
附录第99-102页
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