杜一驕，王育才，蔣　彬，王致強

（西北工業(yè)大學 航海學院， 陜西 西安， 710072）

基于活塞流的脈沖式噴水推進技術分析

杜一驕，王育才，蔣彬，王致強

（西北工業(yè)大學 航海學院， 陜西 西安， 710072）

為了避免螺旋槳因速度過快而產生的空化問題， 高速水面艦艇傾向于使用噴水推進這一新型推進方式。對于噴水推進在無人水下航行器上的應用， 受到高溫高壓燃氣推動活塞做功這一熱功轉換形式的啟發(fā)， 在活塞流的基礎上提出一種結構簡單、成本低廉的新型脈沖式噴水推進系統(tǒng)， 初步建立了該噴水推進的數學模型， 在此基礎上進行了氣體膨脹過程的理論計算和數值仿真計算， 并通過計算得到的數據對該模型參數作了進一步的優(yōu)化，得到更加貼近實際過程的推力和總沖量等相關參數。通過分析計算， 驗證了該模型的合理性， 為后續(xù)噴水推進技術研究提供參考。

無人水下航行器； 活塞流； 噴水推進； 脈沖式

0　引言

水下航行器的推進形式有多種多樣， 其中“螺旋槳推進器+活塞式發(fā)動機”是水下航行器一種常見的動力推進裝置。作為目前水下航行器的一種常見推進形式， 對轉螺旋槳推進主要有以下缺點： 1） 螺旋槳轉速受到限制， 發(fā)動機需要配備減速裝置， 占用了航行器寶貴的空間資源， 還會造成振動、噪聲、運行不平穩(wěn)等一系列問題； 2）對轉螺旋槳結構復雜， 制造和檢修費用較高。噴水推進是近20年來急速發(fā)展的一種特殊新型推進方式， 最早在19世紀末就應用于船舶推進［1］。對于水下航行器而言， 大多數是采用泵噴式噴水推進技術， 其主要原理是由發(fā)動機輸出軸產生的機械能帶動螺旋槳轉動， 從而使海水加速， 經過整流葉片的整流作用， 將海水直射入航行器外的介質中， 從而產生反推力推動航行器航行［2］。這種泵噴式噴水推進系統(tǒng)已成功應用在現役魚雷上，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系統(tǒng)， 性能相當優(yōu)異。泵噴式噴水推進技術具有以下優(yōu)點： 1） 放寬了對發(fā)動機輸出軸轉速的限制。過去的雙槳反向推進， 由于前后槳的旋轉方向相反， 使得2個槳葉之間的相對轉速增加1倍， 更加容易導致“空泡”現象的產生，從而使推進效率大為降低。如果采用單片槳葉推進， 那么空泡化的轉速相對來說會有所提高， 有利于提高水下航行器的航速。2） 振動小、噪聲較低。推進泵轉速相對很高， 傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的傳動結構因此可以非常簡單， 系統(tǒng)緊湊； 推進泵葉輪在泵殼內受約束的水流中工作， 能夠平穩(wěn)運行。水下噪聲、振動很?。?］。3） 適應變工況的能力強。在航行工況發(fā)生變化的條件下， 能充分吸收主機功率， 以調節(jié)和適應工況的變化， 在整個航速范圍內具有良好的穩(wěn)定性。然而， 多用于水下航行器的泵噴式噴水推進系統(tǒng)也有其局限性。由于在泵噴式噴水推進系統(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　脈沖式噴水推進技術原理

由于泵噴式噴水推進具有會產生空化以及效率不太理想等缺點［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力推進系統(tǒng)， 即將火箭發(fā)動機與噴水推進技術結合應用于水下航行器上。用發(fā)動機燃燒室內產生的高溫高壓氣體在活塞管里推動預裝的海水做功， 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， 就構成了文中脈沖式噴水推進系統(tǒng)的基本原理， 其原理圖如圖1所示。

1） 進氣過程： 高溫高壓燃氣來自燃燒室產生的工質， 通過配氣閥將固定質量（即剛好可以將活塞管中水噴出）的高溫高壓燃氣通入活塞管中， 在進氣過程中氣體會對液體做功， 因此進氣過程是產生推力的過程之一。

2） 膨脹過程： 當進氣過程結束， 配氣閥關閉后膨脹過程開始， 此時通入活塞管中的氣體膨脹做功， 將預存在活塞管中的海水噴出， 從而產生反推力推動魚雷前進， 此過程是一個多變過程。

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

3） 進水過程： 當膨脹過程結束時， 此時活塞管需要通入海水， 這時配水閥打開， 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， 并不對魚雷的航行產生推力。

對于同一個活塞管而言， 上述3個過程是循環(huán)進行的， 即是有時序的， 首先為進水過程， 當活塞管內充滿海水時， 配水閥關閉， 進水過程結束； 此時配氣閥打開， 進氣過程開始， 當進入一定量的氣體后， 配氣閥關閉， 進氣過程結束； 此時配氣閥關閉， 膨脹過程開始， 當活塞管內的海水全部被噴出后， 膨脹過程結束， 進水過程開始，如此循環(huán)往復形成了魚雷的推力。并且其中只有進氣過程和膨脹過程會產生推力， 因此， 對于單個活塞管而言， 其產生的推力并不是一個持續(xù)的過程。要想產生穩(wěn)定的推力， 還需要多個活塞管配合工作。鑒于文章篇幅有限， 因此只討論單個活塞管的做功過程。

2　理論建模與分析

對于提出的新型脈沖式噴水推進技術方案進行理論計算分析。忽略高溫高壓燃氣與水的熱量交換過程， 并且認為高溫高壓燃氣在管內的膨脹過程為等熵膨脹。以活塞管中的水作為研究對象進行受力分析， 設活塞管管長為l， 管徑為d； 通入活塞管的高溫高壓燃氣的溫度為Tc， 壓力為pc； 活塞管外的背壓為pe； 在氣體膨脹過程中任意t時刻， 設此時活塞管中剩余水的質量為mt，速度為vt， 加速度為at； 管內氣體的長度為xt，氣體的壓力為pt， 那么經過dt時刻后， 假設活塞管中的水在dt時間段內做勻加速運動， 則在t 這個時刻有以下物理學關系。

此時活塞管內的氣體長度為

活塞管中水的質量為

水的加速度為

其中： R為活塞管內水所受到的阻力， 主要表現為活塞管中水與壁面的摩擦阻力， 根據流體力學知識可知， 活塞管流動的摩擦阻力為阻力系數， 它與雷諾數相關［5］。

水的速度為

根據動量定理可知， 在t+dt時刻所產生的推力為

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生的平均推力、膨脹過程所需要的時間等參數。

在氣體做定熵膨脹時， 計算可得脈沖式噴水推進所產生的推力； 進氣長度； 進氣質量； 并且由圖2可得， 此脈沖式噴水推進進氣所需要的時間； 由圖2和圖3可得， 從充氣到膨脹結束這整個過程所需要的時間

圖2　定熵膨脹氣體壓力隨時間變化曲線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間變化曲線Fig. 3　Curve of water velocity versus time in an isentropic expansion process

3　多變指數及進氣時間的確定

在上述計算中， 將多變指數預取為定熵指數k。熱力學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， 文中的計算所使用的多變指數n并不是定熵指數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， 設定了膨脹前氣體溫度， 壓力， 膨脹后當氣體的壓力等于此時的背壓時， 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；要求當氣體膨脹到0.4 MPa時對應的溫度， 就需要借助計算流體力學仿真結果得到。

4　氣體膨脹過程仿真

流體體積函數（volume of fluid， VOF）模型是一應用在固定的歐拉網格下的表面多相流跟蹤方法。當兩相或者多相的流體不相容時， 可采用這種模型［7］。在VOF模型中， 各個流體組分共用一套動量方程， 計算時在全流場的每個計算單元內，都記錄下各相組分所占有的體積率或體積分數。VOF模型的應用例子包括分層流、自由面流動以及求得任意液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或瞬時分界面［8］。

對于文中的活塞流模型算例而言， 既有燃燒室產生的高溫高壓燃氣， 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模型計算為宜。在FLUENT中相關參數設置為： 1） 管長L=500 mm ， 管徑d=40 mm， 進氣孔直徑d'=5 mm； 2） 出口水深40 m， 即環(huán)境壓力約取4× 105Pa； 3） 高溫高壓燃氣取理想氣體， 溫度Tc=1500 K ， 壓力pc=1.5×107Pa。FLUENT中的邊界條件及相關參數設置如下： 入口壓力15 MPa； 出口壓力0.4 MPa； 求解器為2D，非定常流動； 時間步長1× 10-6s； 湍流模型為Reliablek-ε模型； 海水密度1024 kg/m3； 動力粘度0.001006kgm· s； 多相流模型VOF模型；SIMPLE算法， 1階迎風格式； 進出口湍流強度0.5%； 湍流粘度比5。

將通氣時間步數設置為2 200步， 輸出仿真結果， 得到充氣時間為2.2 ms時活塞管仿真云圖。當FLUENT中的計算步數達到8 000步時， 活塞管中的海水基本被噴出， 因此可以認為當計算步數到9 000步時， 此次做功過程結束， 由于時間步長為1× 10-6s， 所以從充氣到做功結束的整個過程所用的時間為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間為6.8 ms。

圖4是充氣結束時（充氣時間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， 當充氣2.2 ms時， 氣體已經充滿了整個活塞管的左端。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（即整個膨脹做功過程結束后）的活塞管密度、溫度、壓力和速度云圖?？梢钥吹剑?當膨脹到5.8 ms時， 氣體體積基本已經占據整個活塞管， 預存在活塞管中的海水幾乎已經被全部噴出， 此時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， 氣體做完功后的壓力值大約等于此時的背壓0.4 MPa， 剛好等于理論計算的設計參數， 此時的工況就是理論計算所設計的工況。

5　多變指數n的計算

從圖5可以看出， 當氣體膨脹到背壓時， 此時氣體的溫度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

6　推力及其他參數修正

在上述的理論計算過程中， 文中假設在給噴水管內通氣的時候進入管內的氣體壓力始終保持在15 MPa不變， 然而在實際工程中， 這種情況是不可能存在的， 如果充入管內的壓力始終保持不變， 那么高溫高壓燃氣不可能進入活塞管中，比較貼近實際情況的假設是： 當氣體剛進入活塞管時， 先進入活塞管中的氣體就開始膨脹做功，因此在通氣過程中進入噴水管內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氣階段氣體壓力值的變化。通過FLUENT軟件仿真計算每隔0.1ms時的氣體壓力值， 并求平均可得=12.55 MPa。

圖5　膨脹6.8 ms時活塞管密度、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　多變過程推力隨時間變化曲線Fig. 8　Curve of propulsive force versus time in a polytropic process

經過修正的進氣時間以及整個做功時間基本與仿真結果相同。

以MK46魚雷為例， 如果脈沖式噴水推進系統(tǒng)能產生4.86× 103N的力， 那么如果在穩(wěn)定工況航行， 會使MK46魚雷達到約35 ms的速度?？梢?， 文中提出的脈沖式噴水推進系統(tǒng)能夠適合于高速魚雷推進。

7　結束語

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

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（責任編輯： 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， 主要研究方向為水下動力推進系統(tǒng).