燃气快速吹水过程数值研究

论文摘要

潜艇的动力抗沉特性是目前拥有潜艇的国家十分关注的问题。当潜艇发生事故需要紧急上浮时,一般采用高压空气吹除压载水舱,但该系统存在吹除速度低、吹除能力弱等局限性,给潜艇的水下航行带来了危险。因此,为提高潜艇的安全性,把小型固体火箭发动机应用于潜艇上,作为快速吹除压载水舱气体发生器的应急燃气吹除技术是一种高效的应急上浮手段。本文基于燃气吹除压载水舱过程的理论分析,采用标准k-ε湍流模型,结合VOF方法追踪气液相界面,对燃气吹除系统的喷管—压载水舱统一流场进行了数值模拟研究。通过仿真计算,得到了燃气吹除过程的流动细节、压载水舱气水空间的参数分布情况,成功捕捉了流场中复杂动态波系的传播和变化,详细分析了不同因素对燃气吹除水舱动态过程的影响,将计算结果与试验及文献结果进行比较发现,吻合程度良好。研究结果可以用于指导潜艇燃气应急吹除系统的合理设计和正确使用,对潜艇应急上浮时的实际操纵具有重要的指导意义和实际价值。同时,本文还介绍了另外一种潜艇应急吹除方案——气囊充气排水方案。在二维轴对称坐标系下,利用FLUENT软件中的动网格技术对气囊排水非定常过程进行了数值研究。分析了燃气射流在气囊中形成波系的结构及变化的细节,对气囊的工作环境给予了考虑和评估,同时计算结果表征了压载水舱中气水空间的参数随时间的变化情况,本文结果与文献基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的工程背景及意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 潜艇动力抗沉研究的发展状况
• 1.2.2 水下气体射流研究的发展状况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 燃气吹除压载水舱过程理论分析
• 2.1 燃气吹除过程理论分析
• 2.1.1 燃气吹除系统的工作原理
• 2.1.2 燃气吹除过程的热力学分析
• 2.1.3 压载水舱中的气体参数与排水参数
• 2.1.4 燃气吹除压载水舱过程的特点
• 2.2 火药燃气吹除的排水特性
• 2.3 燃气吹除压载水舱过程的能量分配
• 2.4 本章小结
• 第3章 燃气吹除压载水舱过程数值分析
• 3.1 数值理论及方法
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 近壁区处理
• 3.1.3 PISO算法
• 3.1.4 VOF方法
• 3.2 物理模型及定解条件
• 3.2.1 物理模型及简化假设
• 3.2.2 定解条件
• 3.3 燃气直接吹水过程初期数值分析
• 3.3.1 压力场分析
• 3.3.2 压载水舱内液面变形情况
• 3.3.3 水舱轴线参数分布
• 3.3.4 燃气射流近场点参数随时间变化
• 3.4 有导流锥燃气吹水过程分析
• 3.4.1 压载水舱中水的体积分数变化
• 3.4.2 喷管出口附近参数分布
• 3.4.3 水舱气水空间参数随时间变化情况
• 3.5 两种吹除方式比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 潜艇动力抗沉影响因素分析
• 4.1 物理模型及定解条件
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 初值条件
• 4.2 潜艇深度的影响
• 4.3 排水口面积的影响
• 4.4 气垫厚度的影响
• 4.5 燃烧室压力及温度的影响
• 4.5.1 燃烧室压力对吹除过程的影响
• 4.5.2 燃烧室温度对吹除过程的影响
• 4.6 排水口位置的影响
• 4.7 导流锥的影响
• 4.7.1 位置的影响
• 4.7.2 形状的影响
• 4.8 本章小结
• 第5章 气囊排水非定常过程数值研究
• 5.1 物理模型
• 5.2 数学模型
• 5.3 定解条件
• 5.3.1 边界条件
• 5.3.2 初始条件
• 5.4 数值结果及分析
• 5.4.1 气囊充气排水过程分析
• 5.4.2 囊壁厚度对排水过程的影响
• 5.4.3 气囊排水与直接吹除两种方案的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 一、主要结论
• 二、进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢