斜切式喷管水下工作性能研究

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传统超空泡航行体依靠火箭发动机提供其航行所需推力,发动机喷管位于航行体尾部,这种布局容易导致航行体失稳。通过使用斜切式喷管将航行体的发动机喷管前移至航行体前部,可以大幅提高航行体的稳定性和转向机动性能。为研究斜切式喷管在水下通气空泡流场中工作时与其在气相流场中工作时性能的差异并分析不同因素对斜切式喷管水下工作性能的影响,本文采用数值模拟的方法,结合Mixture多相流模型、RNG k-ε湍流模型和Singhal et al.空化模型,对应用斜切式喷管的超空泡鱼雷水下通气空泡流场进行数值计算。计算得到了斜切式喷管在气相外流场和在水下空泡流场中工作时的流场流动状态、不同喷管几何参数的斜切式喷管在水下空泡流场中工作时的流场流动状态、使用燃气二次射流推力矢量控制系统的斜切喷管在水下空泡流场中工作时的流场流动状态和不同航行体外形及航深时斜切式喷管在水下空泡流场中工作时的流场流动状态,以及在以上变量条件下的斜切式喷管的各项推力性能。通过分析以上计算结果得到以下结论:相较气相外流场,通气空泡流场中的通气空泡边界处的液态水会对斜切喷管内高温燃气向下游的膨胀产生一定的阻滞作用,使得喷管出口处的压缩波开始向喷管内部移动并且逐渐加强,喷管有效推力Feff减小;在水下通气空泡流场中工作时,斜切角度?和扩张半角α的增大会使得喷管有效推力Fef f减小,喉口半径tR的增加会使得喷管提供有效推力Fef f先增加后减小,喷管入口压强cP的增加会导致有效推力Feff增大;燃气二次射流的加入会使得航行体受到一定的侧向力,航行体两个喷管使用燃气二次射流时产生的有效侧向力会比单个喷管使用燃气二次射流时多23.7%;适当的优化航行体的外形和减小航行体的航深可以在一定程度上增加喷管的推力性能,减小航行体受到的阻力。
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