超空泡航行器通气参数设计方法技术

本发明专利技术公开了超空泡航行器通气参数设计方法，参照航行器的外形和航速，根据通气率公式得出生成合适大小的空泡所需的通气体积流量；根据航行器所处的环境压力和要求的空化数，得出泡内气体密度；结合燃料特性，设计燃气发生器固体药柱的燃面。采用本发明专利技术设计的通气超空泡航行器基于水下UUV、水面舰艇等发射，主要用于对抗水下目标；本发明专利技术的方法能够高效地获得运行于可变工况的航行器生成恰当的超空泡尺寸时所需的通气参数，并通过合理的装药设计便捷地实现航行器超空泡尺寸的变化，适应于工况的改变。避免了改变工况后，超空泡尺寸过小航行器无法被完全包覆的问题，以及超空泡尺寸过大所带来的浪费甚至影响航行器性能的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
超空泡航行器通气参数设计方法


[0001]本专利技术属于超空泡减阻
，具体涉及超空泡航行器通气参数设计方法。

技术介绍

[0002]随着舰船航速的提升，以鱼雷为代表的传统水中兵器在海战中的突防优势逐渐弱化。为了有效对抗大型水面舰船，迫切需要提高水中兵器的航行速度。利用超空泡减阻技术的水中兵器，依托独特的流体动力布局，通过向流场注入不凝气体生成覆体超空泡，使得航行阻力大幅减小，航行速度可突破200kn，因此备受关注。
[0003]为了生成和维持超空泡，需要持续不断的向周围流场通入气体。由于所需气量很大，一般采用燃烧固体药柱生成的高温燃气作为气源。其中，通气流量、航行速度、航行深度等参数对超空泡的形态和尺寸有决定性的影响。超空泡的形态又决定了航行器的流体动力特性、控制特性和航行稳定性，对于超空泡形态的准确预测和调控是超空泡航行器总体设计的关键之一。目前，通气超空泡航行器所需的通气量大多通过仿真计算确定，需要耗费大量的算力和时间；并且，数值仿真所得的通气量多为某一工况下适用的固定数值，无法适应于工作环境的变化，也没有便捷地提供可变通气量的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供超空泡航行器通气参数设计方法，解决了改变工况后，超空泡尺寸过小航行器无法被完全包覆的问题，以及超空泡尺寸过大所带来的浪费甚至影响航行器性能的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，超空泡航行器通气参数设计方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1、基于大量数据构建通气量的数学描述方法，参照航行器的外形和航速，根据通气率公式得出生成合适大小的空泡所需的通气体积流量；
[0007]步骤2、根据航行器所处的环境压力和要求的空化数，计算通气超空泡内气体密度，结合步骤1中所得的通气体积流量，计算通气质量流量；
[0008]步骤3、根据通气质量流量，并结合燃料特性，设计燃气发生器固体药柱的燃面大小及端面燃烧所能提供的通气质量流量。
[0009]本专利技术的特点还在于：
[0010]步骤1具体过程为：
[0011]步骤1.1、根据航行器外形，计算航行器最大直径d
t
与空化器直径d
c
的比例k1：
[0012][0013]步骤1.2、设定所需的空泡大小，使空泡完全包覆航行体，计算空泡直径D
max
与空化器直径d
t
的比例k2：
[0014][0015]空泡最大截面面积S
c
表示为：
[0016][0017]步骤1.3、由通气率公式计算通气体积流量Q：
[0018][0019]结合公式(1)、(2)变形得：
[0020][0021]再结合公式(3)变形得：
[0022][0023]对公式(6)进行变形可得：
[0024][0025]公式(7)给出了体积流量与速度、空泡最大截面的关系，k1、k2两个参数与通气率有关，Cq/(k
12
k
22
)是一个定值，将该值带入公式(7)得：
[0026]Q＝0.0635VS
c
(8)
[0027]步骤2中计算通气超空泡内气体密度具体过程为：
[0028]由于通气为可压缩空气，根据空泡内气体压力、气体密度随环境压力的变化特性，通气超空泡内气体密度表示为：
[0029][0030]其中，R为气体常数，M
c
为燃气的气体摩尔质量；P
c
为泡内气体压力；T为气体温度。
[0031]步骤2中计算通气质量流量过程为：
[0032]空化数公式为：
[0033][0034]其中p
∞
为环境压力，随航行器的航深变化而变化，ρ为水的密度，σ
c
为指定的空化数；
[0035]变形后得到泡内压力的计算公式：
[0036][0037]联立公式(8)、(9)、(11)得通气质量流量公式表示为：
[0038][0039]式中，p
∞
表示航行器处于环境压力p
∞
，V表示流速。
[0040]步骤3具体过程为：
[0041]步骤3.1、计算航行器稳定航行时所需的燃面大小：
[0042]当航行器稳定航行时，燃气发生器内压力、温度趋于恒定，排出的气体质量流量也是恒定的，故有：
[0043][0044]其中，ρ
tui
为推进剂的密度，s为燃面大小，r为推进剂的燃速；
[0045]结合式(13)有：
[0046][0047]步骤3.2、计算航行器刚开始生成通气超空泡时所需的燃面大小：
[0048]在航行器刚开始生成通气超空泡时，需要通入3倍于稳定航行时的气体，故初始时刻的燃面大小为：
[0049][0050]步骤3.3、进行装药设计：
[0051]端面燃烧所能提供的通气质量流量范围为：
[0052][0053]其中s
r
为燃气发生器的横截面积；
[0054]当s＝s
r
时，可采用端面燃烧截面贴壁浇注燃料，当s<s
r
时，在贴壁浇注燃料的基础上，在火药内孔管管壁上用阻燃层进行包覆，防止其燃烧。
[0055]本专利技术有益效果是：
[0056]本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法，通过对数值模拟结果的归纳和推导，得出了变工况条件下的通气率公式，并使用变截面的装药方法，实现了对不同工况下通气量的控制。相比于传统数值模拟方法，本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法更加便捷高效，大大减小了算力与时间的投入；并且数值模拟方法一般只对稳定工况进行模拟，本专利技术则可以快速得出变工况及过渡过程中需要多大的通气量，可以使超空泡航行器适应环境压力的变化。相较于气瓶供气，本专利技术中采用变截面的固体药柱供气不需要额外的调配机构即可实现供气量的变化，不会受到外界压力变化的影响，机构简单，供气稳定。
附图说明
[0057]图1是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的空泡形态随环境压力变化特性图；
[0058]图2是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的空泡最大直径及长度随环境压力变化特性图；
[0059]图3是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的泡内气体压力及密度随环境压力变化图；
[0060]图4是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径所适用的通气超空泡航行器的总体结构示意图；
[0061]图5是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的实施例工况示意图；
[0062]图6是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的锥段剖面图；
[0063]图7是本专利技术超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的实施例装药示意图。
具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超空泡航行器通气参数设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于大量数据构建通气量的数学描述方法，参照航行器的外形和航速，根据通气率公式得出生成合适大小的空泡所需的通气体积流量；步骤2、根据航行器所处的环境压力和要求的空化数，计算通气超空泡内气体密度，结合步骤1中所得的通气体积流量，计算通气质量流量；步骤3、根据通气质量流量，并结合燃料特性，设计燃气发生器固体药柱的燃面大小及端面燃烧所能提供的通气质量流量。2.根据权利要求1所述超空泡航行器通气参数设计方法，其特征在于，步骤1具体过程为：步骤1.1、根据航行器外形，计算航行器最大直径d
t
与空化器直径d
c
的比例k1：步骤1.2、设定所需的空泡大小，使空泡完全包覆航行体，计算空泡直径D
max
与空化器直径d
t
的比例k2：空泡最大截面面积S
c
表示为：步骤1.3、由通气率公式计算通气体积流量Q：结合公式(1)、(2)变形得：再结合公式(3)变形得：对公式(6)进行变形可得：公式(7)给出了体积流量与速度、空泡最大截面的关系，k1、k2两个参数与通气率有关，Cq/(k
12
k
22
)是一个定值，将该值带入公式(7)得：Q＝0.0635VS
c
(8)。
3.根据权利要求1所述超空泡航行器通气参数设计方法，其特征在于，步骤2中所述计算通气超空泡内气体密度具体过程为：由于通气为可压缩空气，根据空泡内气体压力、气体密度随环境压力的变化特性...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗凯，杨恺昕，许海雨，黄闯，李代金，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：