斜切喷嘴水下超音速气体射流的非对称流动特性及其推进系统优化研究

针对斜切喷嘴（scarfed nozzle）在水下推进系统中产生的非对称超音速气体射流问题，本研究通过实验（高速成像/VOF模型）与数值模拟（k-ω湍流模型）相结合的方法，揭示了射流形态、压力振荡及推力偏转的动力学机制，为提升无人潜航器（UUV）的机动性和稳定性提供了理论支撑。

　　

在深海勘探和海洋资源开发的浪潮中，无人潜航器（UUV）的机动性直接取决于其推进系统的性能。传统螺旋桨推进系统因空化效应在高转速下效率骤降，而斜切喷嘴（scarfed nozzle）通过非对称结构设计可突破空间限制并降低噪声，但其产生的超音速气体射流存在复杂的非对称流动特性，导致推力偏转和界面不稳定，成为制约UUV精准操控的“卡脖子”难题。

北京理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，首次系统揭示了斜切喷嘴水下超音速射流的演化规律。通过搭建透明水槽实验平台（400 mm×1000 mm×800 mm）结合VOF（Volume of Fluid）多相流模型与k-ω湍流模拟，研究人员捕捉到射流从初始气泡膨胀到稳定锥形结构的全过程，发现非对称几何结构会引发射流形态、压力场和推力的系统性偏转。

关键技术方法
实验采用高速摄影（帧率未明确）记录射流形态，通过70%气体体积分数等值面界定气液界面；数值模拟基于RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）框架，耦合VOF模型追踪界面演化，并引入k-ω模型模拟湍流效应。研究对比了不同入口压力（0.5-3.0 MPa）下的射流动力学行为。

研究结果

1. 射流形态演化：初始气泡经历膨胀-隆起-颈缩-回击四阶段，稳定后形成明显偏转的锥形结构，入口压力升高可使偏转角减小15%。
2. 气液界面振荡：斜切喷嘴引发瑞利-泰勒不稳定性（R-T）和开尔文-亥姆霍兹不稳定性（K-H）耦合作用，导致界面波动幅度达喷嘴直径的1.2倍。
3. 推力特性：非对称壁面产生的侧向力使推力方向偏转8°-12°，但随压力升高偏转效应减弱。

结论与意义
该研究首次量化了斜切喷嘴几何非对称性对水下射流的影响规律，揭示了推力偏转的流体力学机制，为UUV推进系统的优化设计提供了关键理论依据。未来可通过喷嘴构型优化（如调整斜切角度）抑制界面振荡，从而提升深潜器的机动精度和能源效率。论文中Pengfei Si等作者特别致谢了Dr. Dai在论文写作中的指导，凸显了学术协作的价值。