基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵水动力数学模型研究

Waterjet propulsion as a new type of propulsive application has significantly increased the speedability and maneuverability. While related research has only started domestically, overseas, water jet propulsion has expanded its scope of application to underwater vehicles and boosted their power performance. To meet the national demand from underwater vehicles for contractive pre-guide-vane water jet pump, this research, taking full advantage of MARIC's water jet technology accumulated through years of research, intends to study the hydrodynamic mechanisms of contractive shrouds and pre-guide-vanes. Scientific issues such as the influence of the negative centrifugal work done by impeller inside a contractive shroud to hydrodynamic performance, and the strategy of establishing mathematic models for this pump type will be addressed in this research. Three dimensional mathematic models based on the 3D Controllable Velocity Moment Theory will be formulated for this pump type to better serve the underwater water jet technology.

喷水推进作为一种新型的推进方式显著提高了新型高速水面船舶的快速性、机动性与操纵性，国外已将此推进方式从水面应用拓展至水下，提升了水下航行体的动力性能，而国内相关研究处于起步状态。针对我国水下航行体对收缩型前置导叶喷水推进泵的需求，开展收缩型泵壳与前置导叶水动力机理研究，解决泵壳收缩引起的离心力做负功以及水动力原理的数学描述等科学问题，形成基于三元可控速度法的水下航行体推进泵水动力数学模型，为该泵型的研制提供理论与方法指导。本项目研究成果可以为我国新型高速水下航行体提供先进的推进方式，对提高我国水下航行体喷水推进技术有重要意义。

近年来，随着水下航行体对推进装置的水动力与低噪声性能要求与日俱增，传统螺旋桨推进已经难以满足要求，国外已将水面船舶用的喷水推进技术应用从水面拓展至水下，取得了良好的效果，喷水推进已经成为国外水下航行体主流推进方式。我国相关研究尚处于起步阶段。.水下航行体推进泵不同于传统的轴流泵与混流泵，其轮毂为水下航行体尾部线型光顺延伸，轮缘根据水动力要求确定。从泵进口到出口，轮毂与轮缘半径逐渐减小，与轮毂两者构成的子午流道面积收缩，整体呈现收缩型流道；为使结构紧凑，并降低叶轮导叶间压力脉动压力，常将导叶前置。.本文针对水下航行体推进泵研究在国内尚处于起步阶段的现状，在系统分析水下航行体推进泵特征的基础上，开展该泵型的三元设计方法的研究工作。，继承并与发展了用于混流泵设计的三元可控速度矩方法，将其应用到水下航行体推进泵的设计中，编写MATLAB程序，并与CFD数值仿真有机结合，形成了一套水下航行体推进泵的参数化设计方法。.针对水下航行体推进泵的结构与水动力特点，本文首先分析了离心力做功对推进泵性能的影响及前置导叶对叶轮的作用，在此基础上先应用流体力学经典理论了建立了基于三元可控速度矩方法的数学模型，研究了高效轴面流道设计方法，导叶与叶轮最优的速度矩分布规律，以满足叶片进口无冲击，出口符合库塔条件的要求，且实现导叶与叶轮叶片数与水动力的最佳匹配，保证叶轮出口无旋，以提高流场品质与效率，根据数学模型结合叶片方程构建了水下航行体推进泵设计方法，此即航行体推进泵设计的反问题。给定设计参数然后根据反问题得到水力模型，研究边界条件、网格划分及湍流模型，开展CFD数值模拟，计算其内流场与外特性，此即水下航行体推进泵设计的正问题。根据正问题的计算结果，对初始模型进行迭代计算，并进行优化设计。如此正反问题的迭代优化过程，形成了基于三元可控速度矩的参数化设计方法。最后对最终优化模型进行全性能试验，并与数值计算结果进行对比分析，验证该设计计算方法的可靠性。.通过上述研究工作，论文建立了基于三元可控速度矩设计方法的水下航行体推进泵水动力数学模型，为我国水下航行体推进泵的深入研究的发展奠定了坚实的基础。