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水下航行器泵喷推进器设计方法研究

作　者: 刘业宝
导　师: 苏玉民
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 工程力学
关键词: 泵喷推进器升力线理论升力法面元法无空泡噪声
分类号: U674.941
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

推进器噪声作为艇体主要辐射噪声之一，是衡量潜艇性能的重要指标。研究实践表明，泵喷推进器通过采用减速导管延迟空泡产生、应用定子提高推进效率，可以在满足航速的同时有效的降低噪声。在国内，泵喷推进器设计尚处于起步阶段，如今，国内加快了泵喷推进器的研究步伐。本文根据泵喷推进器的特点，结合螺旋桨环流设计理论和轴流泵的升力法，进行了泵喷推进器设计及其性能预报。本文的主要工作如下：（1）以求解最佳环量分布的变分法为基础，研究了在轴向伴流和周向伴流中有附体干扰时螺旋桨最佳环量分布的求解方法；根据轴流泵的基本方程，结合导管桨特点，对导管桨桨叶设计的升力法进行了研究。（2）基于双曲低阶面元法，研究了桨-附体组合体定常与非定常水动力性能计算方法，在定常计算中，对诱导速度迭代、诱导速度势迭代和直接求解方法的计算精度进行了对比分析；在组合体非定常计算中，通过分别计算螺旋桨与附体的非定常性能至收敛后再考虑它们之间各个时间步诱导速度的方式考虑非定常干扰，通过导管桨非定常计算结果验证了计算方法的有效性；研究了面元法中尾涡模型对计算结果的影响，为了提高桨-附体组合体性能的预报精度，对组合体中螺旋桨的尾涡模型进行了改进，并验证了该改进方法的有效性。（3）研究了基于面元法的泵喷推进器定常及非定常水动力性能的预报方法，在非定常性能计算中，通过对定子建模方式的处理，极大的减少了非均匀流场中泵喷推进器非定常性能计算的运算量；计算分析了泵喷推进器的前置定子与后置定子大小、安装位置、安装角度，导管长径比等参数对泵喷推进器性能的影响。（4）由变分法求解转子表面最佳环量分布，泵升力法设计转子剖面，面元法预报泵喷推进器性能及流场，建立了升力线理论-面元法-泵升力法相结合的泵喷推进器设计方法；应用该方法分别进行了导管桨设计和泵喷推进器设计，采用CFD方法对设计结果进一步验证。（5）以面元法计算的泵喷推进器非定常压力分布作为低频线谱噪声预报的声源项代入FW-H方程的时域公式，建立了泵喷推进器的无空泡噪声预报方法，分析了前置定子式泵喷推进器和后置定子式泵喷推进器中各部件对声压的贡献，对泵喷推进器的无空泡噪声特点进行了研究。经计算表明，文中的尾涡改进方法可以有效的提高导管桨和泵喷推进器的性能预报精度，文中的泵喷推进器非定常计算方法稳定可靠，所采用的组合体中螺旋桨最佳环量迭代计算方法可行。通过以某虚拟核潜艇为设计目标进行泵喷推进器的设计结果表明：按文中设计方法设计出的泵喷推进器的性能满足设计要求，且具有较高的效率，所设计的泵喷推进器出口处的流场特性与轴流泵具有相似性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 概述  12-13
  1.2 螺旋桨及其组合体理论研究进展  13-21
    1.2.1 升力线理论发展及应用  13-14
    1.2.2 升力面理论发展及应用  14-16
    1.2.3 面元法理论发展及应用  16-20
    1.2.4 CFD 理论发展及应用  20-21
  1.3 轴流泵设计理论研究进展  21-22
  1.4 泵喷推进器理论研究进展  22-24
  1.5 论文的主要研究工作  24-25
  1.6 本章小结  25-26
第2章螺旋桨最佳环量分布计算及轴流泵设计的升力法  26-38
  2.1 螺旋桨最佳环量分布求解的变分法  26-30
  2.2 升力线设计的基本方程  30-31
  2.3 轴流泵设计的升力法基本方程  31-34
  2.4 导管桨与轴流泵  34-37
  2.5 本章小结  37-38
第3章基于面元法的推进器组合体性能预报  38-66
  3.1 解有升力问题的面元法  38-47
    3.1.1 面元法基本公式  38-40
    3.1.2 定常性能计算方程  40-43
    3.1.3 非定常性能计算方程  43-47
  3.2 组合体定常水动力性能预报  47-53
    3.2.1 诱导速度迭代  47-49
    3.2.2 诱导速度势迭代  49
    3.2.3 直接求解方法  49-53
  3.3 组合体非定常水动力性能预报  53-57
  3.4 螺旋桨尾涡模型对计算结果的影响  57-64
    3.4.1 敞水螺旋桨尾涡形状参数  57-61
    3.4.2 推进器组合体中螺旋桨尾涡模型  61-64
  3.5 本章小结  64-66
第4章泵喷推进器性能预报及主要参数研究  66-84
  4.1 泵喷推进器的性能预报方法  66-74
    4.1.1 泵喷推进器定常性能预报  66-70
    4.1.2 泵喷推进器非定常性能预报  70-74
  4.2 前置定子对泵喷推进器的性能的影响  74-77
  4.3 导管长度对泵喷推进器的性能的影响  77-79
  4.4 后置定子对泵喷推进器的性能的影响  79-82
  4.5 本章小结  82-84
第5章泵喷推进器设计及性能校核  84-109
  5.1 泵喷推进器设计过程  84-93
    5.1.1 转子最佳环量求解  84-85
    5.1.2 升力法的应用  85-87
    5.1.3 导管的设计  87-88
    5.1.4 定子的设计  88-91
    5.1.5 泵喷推进器设计步骤  91-93
  5.2 导管桨设计案例  93-98
    5.2.1 导管桨设计  93-95
    5.2.2 导管桨的 CFD 性能校核  95-98
  5.3 泵喷推进器设计案例  98-108
    5.3.1 艇体阻力及流场计算  98-102
    5.3.2 泵喷推进器设计及性能分析  102-104
    5.3.3 泵喷推进器性能校核  104-108
  5.4 本章小结  108-109
第6章泵喷推进器低频线谱噪声预报及分析  109-122
  6.1 时域噪声预报方程  109-111
  6.2 螺旋桨低频线谱噪声预报  111-113
  6.3 泵喷推进器无空泡噪声预报  113-120
    6.3.2 泵喷推进器非定常性能校核  113-115
    6.3.3 泵喷推进器无空泡噪声预报及分析  115-120
  6.4 本章小结  120-122
结论  122-126
参考文献  126-139
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  139-140
致谢  140

水下航行器泵喷推进器设计方法研究

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