兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (9): 240809-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0809
肖子寻1, 刘昊然1,2,3, 陈泰然1,4,*(), 黄彪1,4, 王国玉1,4
收稿日期:
2024-09-06
上线日期:
2025-09-24
通讯作者:
基金资助:
XIAO Zixun1, LIU Haoran1,2,3, CHEN Tairan1,4,*(), HUANG Biao1,4, WANG Guoyu1,4
Received:
2024-09-06
Online:
2025-09-24
摘要:
喷水推进器是水陆两栖车辆在水面航行时的主动力,水陆交界地带不同航行深度下车体姿态与推进器进流条件存在较大差异,从而对推进性能产生显著影响。为研究水深条件下两栖车辆与喷水推进器的相互影响规律,以喷水推进式水陆两栖车辆为研究对象,采用有限体积法、剪切应力输运模型(Shear Stress Transport Model,SST)、流体体积(Volume of Fluid,VOF)两相流模型与动态流体-刚体相互作用模型(Dynamic Fluid Body Interaction,DFBI)对不同喷水推进器转速、不同水深条件下泵车一体化的两栖车辆水动力性能开展了数值计算。完成了网格不确定性分析,通过计算数值与试验结果对比验证了算法准确性,获得了泵车一体化水陆两栖车辆在不同航行条件下的运动规律、流场分布特性与水动力性能。研究结果表明:深水环境中,两栖车辆处于排水航行状态,车体姿态在低速航行时变化较大,从而影响了推进器内流体轴向流动稳定性;高速航行时车体航行状态与推进器的流量、扬程相对稳定;浅水环境中,两栖车辆在低速航行时处于亚临界状态,相较于深水环境中有着更大的纵倾角与下沉量,车体所受阻力较深水工况平均增加13.65%;高速航行时两栖车辆进入超临界状态,车体迅速上浮且航速与深水工况持平,稳定后姿态变化幅度较小,推进器性能稳定性有所提高;在不同深度的浅水环境中,低速航行时更浅环境中的车体受到浅水效应影响更明显、所受阻力更大,而高速航行时不同深度的两栖车辆水动力性能无明显区别;因此,两栖车辆经过浅水区域时应增大推进器输出功率,快速进入超临界状态以削弱浅水效应的影响。
肖子寻, 刘昊然, 陈泰然, 黄彪, 王国玉. 浅水效应对水陆两栖车辆水动力性能影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 240809-.
XIAO Zixun, LIU Haoran, CHEN Tairan, HUANG Biao, WANG Guoyu. Influence of Shallow Water Effect on Hydrodynamic Performance of Amphibious Vehicles[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(9): 240809-.
两栖车辆参数 | 数值 | 喷水推进器参数 | 数值 |
---|---|---|---|
总长L/m | 2.14 | 叶轮直径/mm | 149.5 |
总宽B/m | 0.87 | 喷口直径d/mm | 105 |
总高/m | 0.52 | 设计转速/(r·min-1) | 2340 |
质量M/kg | 240.05 | 流量/(m3·s-1) | 0.108 |
扬程/m | 7.12 |
表1 喷水推进两栖车辆几何尺寸及性能参数表[22]
Table 1 Geometrical sizes and performance parameters of water jet propelled amphibious vehicle[22]
两栖车辆参数 | 数值 | 喷水推进器参数 | 数值 |
---|---|---|---|
总长L/m | 2.14 | 叶轮直径/mm | 149.5 |
总宽B/m | 0.87 | 喷口直径d/mm | 105 |
总高/m | 0.52 | 设计转速/(r·min-1) | 2340 |
质量M/kg | 240.05 | 流量/(m3·s-1) | 0.108 |
扬程/m | 7.12 |
物理量 | S1 | S2 | S3 | Rs | P | De | Us | Uv | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
前进方向合力/N | 61.19 | 59.68 | 56.89 | 0.54 | 0.89 | 62.37 | 3.02 | 4.34 | 2.69 |
纵倾角/(°) | -1.75 | -1.70 | -1.61 | 0.55 | 0.85 | 1.80 | 0.11 | 0.14 | 0.10 |
升沉/mm | -61.30 | -61.75 | -62.70 | 0.48 | 1.06 | 62.91 | 3.02 | 4.34 | 2.69 |
表2 计算数值不确定性分析
Table 2 Computational numerical uncertainty analysis
物理量 | S1 | S2 | S3 | Rs | P | De | Us | Uv | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
前进方向合力/N | 61.19 | 59.68 | 56.89 | 0.54 | 0.89 | 62.37 | 3.02 | 4.34 | 2.69 |
纵倾角/(°) | -1.75 | -1.70 | -1.61 | 0.55 | 0.85 | 1.80 | 0.11 | 0.14 | 0.10 |
升沉/mm | -61.30 | -61.75 | -62.70 | 0.48 | 1.06 | 62.91 | 3.02 | 4.34 | 2.69 |
图11 两栖车辆纵倾角与推进器速度不均匀性、扬程、流量
Fig.11 The longitudinal inclination of amphibious vehicle and the velocity inhomogeneity,lift,and flow Parameters of propeller
图14 深水、浅水环境两栖车辆升沉量与弗劳德数演化特性
Fig.14 Characteristics of amphibious vehicle lift and sink and Fourier number evolution in deep and shallow water environments
加速阶段 | 环境 | Fr,Frh | 航行状态 | 升沉量 |
---|---|---|---|---|
第1次 | 深水 | <1 | 排水航行 | |
浅水 | <1 | 亚临界状态 | 下沉量较大 | |
第2次 | 深水 | <1 | 排水航行 | 略微上浮 |
浅水 | >1 | 超临界状态 | 大幅上浮 |
表3 不同环境下两栖车辆航行特征
Table 3 Navigation characterisitics of amphibious vehicle in different environments
加速阶段 | 环境 | Fr,Frh | 航行状态 | 升沉量 |
---|---|---|---|---|
第1次 | 深水 | <1 | 排水航行 | |
浅水 | <1 | 亚临界状态 | 下沉量较大 | |
第2次 | 深水 | <1 | 排水航行 | 略微上浮 |
浅水 | >1 | 超临界状态 | 大幅上浮 |
图18 低转速下深水、浅水环境推进器叶间流场SI参数分布
Fig.18 SI parameter distributions of interblade flow fields of propellers in deep water and shallow water environment at low rotational speeds
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