电磁流体表面推进机理研究

论文摘要

电磁流体表面推进是一种新型的推进方式。它是在航行器周围的海水中激发出电磁力,使用电磁力来推动近壁海水运动,从而推动航行器前进。它代替了常规的螺旋桨、喷水推进等机械装置,消除了由转动机构引起的振动和噪声,也避免了螺旋桨的空泡效应。具有安静,高效的优点。自60年代磁流体推进器设想提出以来,美、日、前苏联等国都先后开展了这方面的研究,并取得了一定的成果,但为了达到实用化的目的,还有许多问题要解决。本文采用数值模拟的方法,对电磁流体表面推进机理进行了研究。电磁流体表面推进技术是将航行器的表面设计成电磁流体推进的工作面,既能节省航行器空间,又能增大电磁流体推进器工作面积,同时还能减阻。基于上述独特的优点,电磁流体表面推进技术有望成为本世纪一种很有前途的航行器推进方式。本文首先根据电磁场理论以及流体力学的基本方程组,结合相应的边界条件,构建了基本的数学模型,介绍了数值仿真中用到的有限体积法的基本概念。基于这种方法,数值模拟了电磁流体表面推进模型周边流场的速度与压力分布。并研究讨论了在不同电磁力、攻角、包裹范围以及极板宽度的情况下的流场结构与推进效果,提出了电磁流体表面推进的优化方案。研究结果表明电磁力作用系数与电磁流体表面推进效果直接相关,增大电磁力作用系数,能显著提高推进效果。随着航行器攻角的增大,推进效果会降低。通过对表面推进单元包裹范围的研究,论证了在中段加力能获得较大的推力,而在后段加力的则能取得较好的减阻效果。电磁条带较宽的推进单元体所激发的电场,磁场和电磁力都具有更好的渗透效果,但相应同深度场强值较小。单元体表面场强渗透较深的,对其周围流场的改变作用更为显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 电磁流体表面推进技术概述
• 1.3 本文的主要工作
• 2 电磁流体推进基础理论
• 2.1 电磁流体表面推进的工作原理
• 2.2 基本数学模型的建立
• 2.2.1 电磁场方程
• 2.2.2 流体连续性方程与流体运动方程
• 2.2.3 建立数学模型
• 2.3 本章小结
• 3 仿真分析的数学基础
• 3.1 有限元法概述
• 3.2 有限体积法概述
• 3.3 正交网格上的有限体积法
• 3.4 非正交网格上的有限体积法
• 3.5 网格生成
• 3.6 本章小结
• 4 电磁流体表面推进机理分析
• 4.1 航行器表面推进单元结构
• 4.2 数值模拟结果与实验对比分析
• 4.3 速度场分布分析
• 4.4 压力场分布分析
• 4.5 流场结构中影响推进效果的参数
• 4.5.1 速度场分析
• 4.5.2 推力系数分析
• 4.6 本章小结
• 5 电磁流体表面推进结构优化的初步分析
• 5.1 不同加力范围对推进效果的影响
• 5.1.1 速度场结构分析
• 5.1.2 压力场结构分析
• 5.1.3 作用力分析
• 5.2 不同极宽的表面推进单元对推进效果的影响
• 5.2.1 极板宽度对推进单元周围场强的分布的影响
• 5.2.2 流场结构分析
• 5.2.3 作用力分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献