基于活塞流的脈沖式噴水推進(jìn)技術(shù)分析

杜一驕，王育才，蔣　彬，王致強(qiáng)

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安， 710072）

基于活塞流的脈沖式噴水推進(jìn)技術(shù)分析

杜一驕，王育才，蔣彬，王致強(qiáng)

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安， 710072）

為了避免螺旋槳因速度過快而產(chǎn)生的空化問題， 高速水面艦艇傾向于使用噴水推進(jìn)這一新型推進(jìn)方式。對(duì)于噴水推進(jìn)在無人水下航行器上的應(yīng)用， 受到高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功這一熱功轉(zhuǎn)換形式的啟發(fā)， 在活塞流的基礎(chǔ)上提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的新型脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)， 初步建立了該噴水推進(jìn)的數(shù)學(xué)模型， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣體膨脹過程的理論計(jì)算和數(shù)值仿真計(jì)算， 并通過計(jì)算得到的數(shù)據(jù)對(duì)該模型參數(shù)作了進(jìn)一步的優(yōu)化，得到更加貼近實(shí)際過程的推力和總沖量等相關(guān)參數(shù)。通過分析計(jì)算， 驗(yàn)證了該模型的合理性， 為后續(xù)噴水推進(jìn)技術(shù)研究提供參考。

無人水下航行器； 活塞流； 噴水推進(jìn)； 脈沖式

0　引言

水下航行器的推進(jìn)形式有多種多樣， 其中“螺旋槳推進(jìn)器+活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)”是水下航行器一種常見的動(dòng)力推進(jìn)裝置。作為目前水下航行器的一種常見推進(jìn)形式， 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)主要有以下缺點(diǎn)： 1） 螺旋槳轉(zhuǎn)速受到限制， 發(fā)動(dòng)機(jī)需要配備減速裝置， 占用了航行器寶貴的空間資源， 還會(huì)造成振動(dòng)、噪聲、運(yùn)行不平穩(wěn)等一系列問題； 2）對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 制造和檢修費(fèi)用較高。噴水推進(jìn)是近20年來急速發(fā)展的一種特殊新型推進(jìn)方式， 最早在19世紀(jì)末就應(yīng)用于船舶推進(jìn)［1］。對(duì)于水下航行器而言， 大多數(shù)是采用泵噴式噴水推進(jìn)技術(shù)， 其主要原理是由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸產(chǎn)生的機(jī)械能帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而使海水加速， 經(jīng)過整流葉片的整流作用， 將海水直射入航行器外的介質(zhì)中， 從而產(chǎn)生反推力推動(dòng)航行器航行［2］。這種泵噴式噴水推進(jìn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用在現(xiàn)役魚雷上，例如俄羅斯的yIMΓT-1空投反潛魚雷就采用了泵噴式噴水推進(jìn)系統(tǒng)， 性能相當(dāng)優(yōu)異。泵噴式噴水推進(jìn)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 放寬了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速的限制。過去的雙槳反向推進(jìn)， 由于前后槳的旋轉(zhuǎn)方向相反， 使得2個(gè)槳葉之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速增加1倍， 更加容易導(dǎo)致“空泡”現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而使推進(jìn)效率大為降低。如果采用單片槳葉推進(jìn)， 那么空泡化的轉(zhuǎn)速相對(duì)來說會(huì)有所提高， 有利于提高水下航行器的航速。2） 振動(dòng)小、噪聲較低。推進(jìn)泵轉(zhuǎn)速相對(duì)很高， 傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)因此可以非常簡單， 系統(tǒng)緊湊； 推進(jìn)泵葉輪在泵殼內(nèi)受約束的水流中工作， 能夠平穩(wěn)運(yùn)行。水下噪聲、振動(dòng)很小［3］。3） 適應(yīng)變工況的能力強(qiáng)。在航行工況發(fā)生變化的條件下， 能充分吸收主機(jī)功率， 以調(diào)節(jié)和適應(yīng)工況的變化， 在整個(gè)航速范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。然而， 多用于水下航行器的泵噴式噴水推進(jìn)系統(tǒng)也有其局限性。由于在泵噴式噴水推進(jìn)系統(tǒng)中仍然存在單片槳葉， 因此無法徹底解決提高航速與空泡化之間的矛盾。

1　脈沖式噴水推進(jìn)技術(shù)原理

由于泵噴式噴水推進(jìn)具有會(huì)產(chǎn)生空化以及效率不太理想等缺點(diǎn)［4］， 因此， 為了提高魚雷的航速， 還需要開拓一種新的途徑［5］。文章提出了一種新型脈沖動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)， 即將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與噴水推進(jìn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于水下航行器上。用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫高壓氣體在活塞管里推動(dòng)預(yù)裝的海水做功， 使其向外噴出以形成反作用力，即魚雷的推力； 水下航行器在航行過程中通過進(jìn)水口將海水引入活塞管中， 為噴水管源源不斷地提供海水。如此循環(huán)往復(fù)， 就構(gòu)成了文中脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)的基本原理， 其原理圖如圖1所示。

1） 進(jìn)氣過程： 高溫高壓燃?xì)鈦碜匀紵耶a(chǎn)生的工質(zhì)， 通過配氣閥將固定質(zhì)量（即剛好可以將活塞管中水噴出）的高溫高壓燃?xì)馔ㄈ牖钊苤校?在進(jìn)氣過程中氣體會(huì)對(duì)液體做功， 因此進(jìn)氣過程是產(chǎn)生推力的過程之一。

2） 膨脹過程： 當(dāng)進(jìn)氣過程結(jié)束， 配氣閥關(guān)閉后膨脹過程開始， 此時(shí)通入活塞管中的氣體膨脹做功， 將預(yù)存在活塞管中的海水噴出， 從而產(chǎn)生反推力推動(dòng)魚雷前進(jìn)， 此過程是一個(gè)多變過程。

圖1　新型脈沖式噴水推進(jìn)原理圖Fig. 1　Schematic of the novel pulse water jet propulsion system

3） 進(jìn)水過程： 當(dāng)膨脹過程結(jié)束時(shí)， 此時(shí)活塞管需要通入海水， 這時(shí)配水閥打開， 通過雷外向活塞管中通入海水。此過程只是為了將雷外海水引入活塞管中， 并不對(duì)魚雷的航行產(chǎn)生推力。

對(duì)于同一個(gè)活塞管而言， 上述3個(gè)過程是循環(huán)進(jìn)行的， 即是有時(shí)序的， 首先為進(jìn)水過程， 當(dāng)活塞管內(nèi)充滿海水時(shí)， 配水閥關(guān)閉， 進(jìn)水過程結(jié)束； 此時(shí)配氣閥打開， 進(jìn)氣過程開始， 當(dāng)進(jìn)入一定量的氣體后， 配氣閥關(guān)閉， 進(jìn)氣過程結(jié)束； 此時(shí)配氣閥關(guān)閉， 膨脹過程開始， 當(dāng)活塞管內(nèi)的海水全部被噴出后， 膨脹過程結(jié)束， 進(jìn)水過程開始，如此循環(huán)往復(fù)形成了魚雷的推力。并且其中只有進(jìn)氣過程和膨脹過程會(huì)產(chǎn)生推力， 因此， 對(duì)于單個(gè)活塞管而言， 其產(chǎn)生的推力并不是一個(gè)持續(xù)的過程。要想產(chǎn)生穩(wěn)定的推力， 還需要多個(gè)活塞管配合工作。鑒于文章篇幅有限， 因此只討論單個(gè)活塞管的做功過程。

2　理論建模與分析

對(duì)于提出的新型脈沖式噴水推進(jìn)技術(shù)方案進(jìn)行理論計(jì)算分析。忽略高溫高壓燃?xì)馀c水的熱量交換過程， 并且認(rèn)為高溫高壓燃?xì)庠诠軆?nèi)的膨脹過程為等熵膨脹。以活塞管中的水作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析， 設(shè)活塞管管長為l， 管徑為d； 通入活塞管的高溫高壓燃?xì)獾臏囟葹門c， 壓力為pc； 活塞管外的背壓為pe； 在氣體膨脹過程中任意t時(shí)刻， 設(shè)此時(shí)活塞管中剩余水的質(zhì)量為mt，速度為vt， 加速度為at； 管內(nèi)氣體的長度為xt，氣體的壓力為pt， 那么經(jīng)過dt時(shí)刻后， 假設(shè)活塞管中的水在dt時(shí)間段內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)， 則在t 這個(gè)時(shí)刻有以下物理學(xué)關(guān)系。

此時(shí)活塞管內(nèi)的氣體長度為

活塞管中水的質(zhì)量為

水的加速度為

其中： R為活塞管內(nèi)水所受到的阻力， 主要表現(xiàn)為活塞管中水與壁面的摩擦阻力， 根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知， 活塞管流動(dòng)的摩擦阻力為阻力系數(shù)， 它與雷諾數(shù)相關(guān)［5］。

水的速度為

根據(jù)動(dòng)量定理可知， 在t+dt時(shí)刻所產(chǎn)生的推力為

通過聯(lián)立以上公式， 即可求得理論上定熵膨脹過程中所產(chǎn)生的平均推力、膨脹過程所需要的時(shí)間等參數(shù)。

在氣體做定熵膨脹時(shí)， 計(jì)算可得脈沖式噴水推進(jìn)所產(chǎn)生的推力； 進(jìn)氣長度； 進(jìn)氣質(zhì)量； 并且由圖2可得， 此脈沖式噴水推進(jìn)進(jìn)氣所需要的時(shí)間； 由圖2和圖3可得， 從充氣到膨脹結(jié)束這整個(gè)過程所需要的時(shí)間

圖2　定熵膨脹氣體壓力隨時(shí)間變化曲線Fig. 2　Curve of gas pressure versus time in an isentropic expansion process

圖3　定熵膨脹水流速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 3　Curve of water velocity versus time in an isentropic expansion process

3　多變指數(shù)及進(jìn)氣時(shí)間的確定

在上述計(jì)算中， 將多變指數(shù)預(yù)取為定熵指數(shù)k。熱力學(xué)中的定熵過程指的是過程中沒有發(fā)生熵變， 熵值保持恒定的過程。定熵過程在溫度-熵圖（T-S圖）中是平行于溫度軸的線段。然而文中的氣體在膨脹過程中必然伴隨著能量的損耗， 熵值不可能不發(fā)生變化， 因此， 文中的計(jì)算所使用的多變指數(shù)n并不是定熵指數(shù)k。

多變過程方程式為［6］

理想氣體狀態(tài)方程式為

將理想氣體狀態(tài)方程式與多變過程方程式聯(lián)立， 消去比體積， 可得到用溫度-壓力表示的多變過程方程， 即

由上式可知， 要確定本過程的多變指數(shù)n，需已知膨脹前氣體溫度Tc， 壓力pc及膨脹后的溫度Tb和壓力pb。在上述闡述中， 設(shè)定了膨脹前氣體溫度， 壓力， 膨脹后當(dāng)氣體的壓力等于此時(shí)的背壓時(shí)， 能量利用率最高，因此， 取膨脹后的氣體壓力為背壓py=0.4 MPa；要求當(dāng)氣體膨脹到0.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度， 就需要借助計(jì)算流體力學(xué)仿真結(jié)果得到。

4　氣體膨脹過程仿真

流體體積函數(shù)（volume of fluid， VOF）模型是一應(yīng)用在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面多相流跟蹤方法。當(dāng)兩相或者多相的流體不相容時(shí)， 可采用這種模型［7］。在VOF模型中， 各個(gè)流體組分共用一套動(dòng)量方程， 計(jì)算時(shí)在全流場(chǎng)的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)，都記錄下各相組分所占有的體積率或體積分?jǐn)?shù)。VOF模型的應(yīng)用例子包括分層流、自由面流動(dòng)以及求得任意液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或瞬時(shí)分界面［8］。

對(duì)于文中的活塞流模型算例而言， 既有燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)猓?又有充滿管路中的海水，因此該模型屬于典型的兩相流模型， 并且以使用VOF模型計(jì)算為宜。在FLUENT中相關(guān)參數(shù)設(shè)置為： 1） 管長L=500 mm ， 管徑d=40 mm， 進(jìn)氣孔直徑d'=5 mm； 2） 出口水深40 m， 即環(huán)境壓力約取4× 105Pa； 3） 高溫高壓燃?xì)馊±硐霘怏w， 溫度Tc=1500 K ， 壓力pc=1.5×107Pa。FLUENT中的邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下： 入口壓力15 MPa； 出口壓力0.4 MPa； 求解器為2D，非定常流動(dòng)； 時(shí)間步長1× 10-6s； 湍流模型為Reliablek-ε模型； 海水密度1024 kg/m3； 動(dòng)力粘度0.001006kgm· s； 多相流模型VOF模型；SIMPLE算法， 1階迎風(fēng)格式； 進(jìn)出口湍流強(qiáng)度0.5%； 湍流粘度比5。

將通氣時(shí)間步數(shù)設(shè)置為2 200步， 輸出仿真結(jié)果， 得到充氣時(shí)間為2.2 ms時(shí)活塞管仿真云圖。當(dāng)FLUENT中的計(jì)算步數(shù)達(dá)到8 000步時(shí)， 活塞管中的海水基本被噴出， 因此可以認(rèn)為當(dāng)計(jì)算步數(shù)到9 000步時(shí)， 此次做功過程結(jié)束， 由于時(shí)間步長為1× 10-6s， 所以從充氣到做功結(jié)束的整個(gè)過程所用的時(shí)間為9 ms， 除去充氣過程的2.2 ms， 充完氣的膨脹做功過程所需時(shí)間為6.8 ms。

圖4是充氣結(jié)束時(shí)（充氣時(shí)間2.2ms）活塞管的密度、溫度、壓力和速度云圖， 從密度云圖可以很清楚地看到， 當(dāng)充氣2.2 ms時(shí)， 氣體已經(jīng)充滿了整個(gè)活塞管的左端。溫度、壓力、速度也有不同程度的變化。

圖4　充氣2.2 ms時(shí)活塞管密度、溫度、壓力及速度云圖Fig. 4　Contours of density， temperature， pressure and velocity in the piston tube at 2.2 ms of inflation

圖5為膨脹6.8 ms之后（即整個(gè)膨脹做功過程結(jié)束后）的活塞管密度、溫度、壓力和速度云圖。可以看到， 當(dāng)膨脹到5.8 ms時(shí)， 氣體體積基本已經(jīng)占據(jù)整個(gè)活塞管， 預(yù)存在活塞管中的海水幾乎已經(jīng)被全部噴出， 此時(shí)從壓力云圖可以看出， 氣體部分的壓力大約在0.4 MPa左右， 也就是說在充氣2.2 ms時(shí)， 氣體做完功后的壓力值大約等于此時(shí)的背壓0.4 MPa， 剛好等于理論計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)， 此時(shí)的工況就是理論計(jì)算所設(shè)計(jì)的工況。

5　多變指數(shù)n的計(jì)算

從圖5可以看出， 當(dāng)氣體膨脹到背壓時(shí)， 此時(shí)氣體的溫度Tb=440 K ， 將此值代入式（8）中可以得到氣體膨脹做功過程的多變指數(shù)

6　推力及其他參數(shù)修正

在上述的理論計(jì)算過程中， 文中假設(shè)在給噴水管內(nèi)通氣的時(shí)候進(jìn)入管內(nèi)的氣體壓力始終保持在15 MPa不變， 然而在實(shí)際工程中， 這種情況是不可能存在的， 如果充入管內(nèi)的壓力始終保持不變， 那么高溫高壓燃?xì)獠豢赡苓M(jìn)入活塞管中，比較貼近實(shí)際情況的假設(shè)是： 當(dāng)氣體剛進(jìn)入活塞管時(shí)， 先進(jìn)入活塞管中的氣體就開始膨脹做功，因此在通氣過程中進(jìn)入噴水管內(nèi)的氣體壓力始終是變化的。文中通過取通氣過程平均值的方法來確定出進(jìn)氣階段氣體壓力值的變化。通過FLUENT軟件仿真計(jì)算每隔0.1ms時(shí)的氣體壓力值， 并求平均可得=12.55 MPa。

圖5　膨脹6.8 ms時(shí)活塞管密度、溫度、壓力及速度云圖Fig. 5　Contours of density， temperature， pressure and velocity in the piston tube at 6.8 ms of expansion

圖6　多變過程氣體壓力隨時(shí)間變化曲線Fig. 6　Curve of gas pressure versus time in a polytropic process

圖7　多變過程水流速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 7　Curve of water velocity versus time in a polytropic process

圖8　多變過程推力隨時(shí)間變化曲線Fig. 8　Curve of propulsive force versus time in a polytropic process

經(jīng)過修正的進(jìn)氣時(shí)間以及整個(gè)做功時(shí)間基本與仿真結(jié)果相同。

以MK46魚雷為例， 如果脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)能產(chǎn)生4.86× 103N的力， 那么如果在穩(wěn)定工況航行， 會(huì)使MK46魚雷達(dá)到約35 ms的速度。可見， 文中提出的脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)能夠適合于高速魚雷推進(jìn)。

7　結(jié)束語

文章在活塞流的基礎(chǔ)上提出一種新型的脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)， 并對(duì)這種脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析； 通過CFD的方法對(duì)氣體膨脹做功過程進(jìn)行了分析， 計(jì)算得到多變過程中的關(guān)鍵參數(shù)（氣體膨脹做功結(jié)束后的溫度值），在此基礎(chǔ)上確定了在確定參數(shù)下氣體膨脹做功的多變指數(shù)， 并且根據(jù)此指數(shù)修正了脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)所能產(chǎn)生的推力、進(jìn)氣量等關(guān)鍵性參數(shù)， 初步驗(yàn)證了脈沖式噴水推進(jìn)系統(tǒng)的合理性。

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（責(zé)任編輯： 陳曦）

Analysis of Pulse Water Jet Propulsion Technology Based on
Plug Flow Principle

DU Yi-jiao，WANG Yu-cai，JIANG Bin，WANG Zhi-qiang

（School of Marine science and Technology Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072， China）

To avoid cavitation of a propeller at high rotational velocity， high speed surface ships incline to use water jet propulsion systems. This study is inspired by the conversion of heat into power in high temperature and high pressure gas driving a piston. According to the principles of plug flows， a novel pulse water jet propulsion system is presented with low costs and simple construction， and the model of the water jet propulsion system is established. According to this model， theoretical calculations and numerical simulations are conducted in the expansion process. With the simulation results， the parameters of the model are optimized， thus the relevant parameters which are closer to real working conditions， such as propulsive force and total impulse， are obtained. Calculation results verify the reasonability of the proposed model.

unmanned underwater vehicle（UUV）； plug flow； water jet propulsion； pulse

TJ630.32

A

1673-1948（2015）03-0202-06

2014-12-15；

2015-02-03.

杜一驕（1989-）， 男， 碩士， 主要研究方向?yàn)樗聞?dòng)力推進(jìn)系統(tǒng).