高压大流量射流反推力力学特性及流场特性研究

研究探索采用高速大流量射流产生的反推力作为水下航行器新型推进动力。喷水推进的推力是由水泵从水下航行器的前端吸入水介质，加压后经管道传输到尾喷管向航行器的尾端喷出中高压大流量水射流产生的反作用力来获得；并通过操纵舵及导航设备分配和改变射流方向来实现航行器的操纵。研究高压大流量喷水推进系统的力学特性，探索输出流量、压力与反推力、推进效率之间的函数关系。研究不同结构喷嘴形成的水射流流场特性对反推力、喷射空气辐射噪声、推进效率等之间的内在关系；探索泵的最佳输出流量和压力，最优的喷嘴结构尺寸，尽可能获得最优的推进性能。研究从航行器的前端吸入水流的流场特性和减阻机理。本研究项目对于水下航行器的推进，乃至未来的海洋开发工程，都具有重要的理论意义；为水下推进的工程应用提供充分的理论和实验依据，对发展中高压大流量喷水推进技术在深海高围压极限条件下的深潜推进应用具有重要的战略意义。

高压大流量水射流反推力技术用于水中航行器是一种创新性的尝试，相比传统的水中推进技术，高压大流量水射流具有流速高的特点，根据动量原理，在流量相同的条件下，可以产生较大的反推力。根据高压大流量水射流反推力技术的工作原理和特点，主要开展了如下研究工作：⑴ 根据动量定理和静压原理，建立了高压大流量水射流反推力的数学理论模型，该理论模型说明水射流反推力主要与射流速度、射流流量、喷嘴口径、喷嘴入口压力有关；⑵ 以能量损失最小为约束条件，以相同输入流量和压力而获得最大射流反推力最大为优化目标，建立了喷嘴优化方程，并进行了优化分析，最终得到最优结构的喷嘴；⑶ 喷嘴是高压大流量水射流反推力技术中一个主要的能量损失元件，其中包括汽蚀能量损失和结构能量损失，分别研究有汽蚀现象和无汽蚀现象的汽蚀能量损失特征，以及不同结构喷嘴（圆柱喷嘴、圆锥喷嘴、余弦曲面喷嘴、最优结构喷嘴）在不同输入流量和输入压力条件下的结构能量损失，并进行了相应的仿真分析和实验研究；⑷ 根据湍流射流原理，分析了射流水舌的特征，并在不同输入压力下，仿真了水舌长度与输入压力的关系，从而间接可得到射流反推力与水舌长度的关系；⑸流量和压力作为喷嘴进口的主要条件，对射流反推力有决定性的作用，通过仿真计算表明，射流反推力几乎随着流量的增加而线性增加，随着压力的增加而增加，但喷嘴中的能量损失也增加；⑹ 研制出的高压水泵采用了端面斜盘连杆式结构作为传动机构，与普通高压水泵相比，具有功率密度大、排量大等特点，非常适合作为高压大流量射流推进技术的核心动力元件；⑺ 为了验证水射流反推力的理论分析结果，研制了高压大流量射流喷水推进推力静态测试装置，通过该实验装置，进行了不同结构喷嘴的射流反推力-流量、射流反推力-压力的实验，分析了进口流量、进口压力和喷嘴孔径对射流反推力的影响，结论与仿真计算结果相符；⑻ 同时，为了检测动态反推力，进行了船模系泊实验和自航实验，实验结果也和仿真计算结果相符。通过这些基本关键计算的研究，为后续高压大流量水射流反推力技术的深入研究奠定了良好的理论基础，为高压大流量水射流反推力技术的实际的应用提供了理论依据。