圆碟形水下滑翔机外形设计研究

圆碟形水下滑翔机是一种新型水下滑翔机,其外形明显不同于现有的传统水下滑翔机,目前尚未看到有关其外形设计的详细讨论。基于水动力分析技术和滑翔机的稳态运动方程,建立了圆碟形水下滑翔机的外形设计分析方法,进而实现了导流沿、机身高度对水动力和运动性能影响的分析。研究发现,导流沿结构会增加单位垂直高度对应的水平滑行距离,但也会降低水平方向的滑行速度;机身高度的降低会增大水平方向的滑行速度,但不影响单位垂直高度对应的水平滑行距离。     

机载布放式AUV入水冲击仿真研究

机载布放式AUV是利用载机运送至特定海域上空,在一定条件下通过空投方式进入水下,完成预定工作的自主水下航行器。AUV入水时会受到巨大的载荷冲击,严重时会导致机体折断、元器件失灵,甚至引起弹道失控。为此,文章采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对机载布放式AUV的入水冲击问题进行了数值仿真研究。对不同入水速度、不同入水角度下AUV受力过程进行了计算,得出了不同入水条件下的速度响应曲线和压力响应曲线,可为机载布放式AUV的机体结构设计和投放条件研究提供参考。     

基于ALE方法的平底结构入水冲击动力特性研究

结构冲击入水作为一种典型的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域,特别是作为海洋平台简化模型的平底结构有着重要的工程应用背景和学术研究价值。本文采用ALE算法对二维弹性平底结构等速冲击入水过程进行数值模拟和分析,分别采用Lagrange单元和Euler单元来表征结构和流体,并通过耦合算法实现对流固耦合过程的模拟,分别讨论不同质量、刚度及入水速度情况下空气垫现象对结构底部压力的影响。计算结果表明,平底结构入水冲击过程中,底部边缘处压力最先达到峰值,随后沿宽度方向向中心依次出现压力峰值,且结构等速冲击入水后的运动为自由振动。冲击压力的峰值随结构质量及刚度的增大而增大,同时冲击压力峰值与速度呈线性关系,随速度的增大而增大,底部斜升角对冲击压力峰值的影响十分显著。通过上述研究为工程应用中的结构强度设计提供重要依据。     

着速和着角对水雷入水过载影响的数值仿真分析

为了研究高速水雷入水时受到的过载情况,采用流固耦合仿真软件MSC-Dytran,对水雷击水问题进行数值模拟仿真研究。分别计算了不同入水情况下雷体指定部位的加速度响应随时间的变化。仿真结果表明水,雷冲击载荷随入水速度的增大而迅速增大,入水速度是水雷受到的冲击载荷大小的主要影响因素。对新型水雷的结构设计、引信的设计、水雷装药的安全性设计以及其他元器件的抗冲击设计提供有价值参考。     

水下滑翔机机翼不同位置攻角状态下水动力性能研究

随着海洋技术的方展,以及人类对海洋开发的需求,水下无人装备将会有更广泛的应用场景。水下滑翔机是一种无人水下装备,其利用姿态,重心的调整获得动力,完成水下滑翔运动,能量消耗极小,续航时间长,适合大范围、长时间海洋海底探索工作的需求。本文使用OpenFOAM开源CFD库,对某型水下滑翔机机翼在不同安装位置,不同攻角情况下的水动力性能进行数值模拟,给出了其机翼随着位置攻角变化,水下滑翔机的升阻力变化特性,从而为滑翔机设计提供理论参考。同时本文也对流场信息进行深入分析,从机理上解释水下滑翔机水动力特性随机翼状态改变而发生的变化,在设计工作中能够更好地对水下滑翔机外形及机翼布置进行优化。     

一种高容积阻力比水下热滑翔机壳体外形设计

海洋温跃层的温差小,可利用的温差能的能量品质低,水下热滑翔机的热机效率较低,因此需要寻找最低阻力特性的热滑翔机壳体外形。利用水动力数值计算方法,分析了水下热滑翔机4种壳体外形的阻力成因和各自的优缺点,并采用2种不同的求解器对4种壳体外形阻力进行数值计算,不同求解器的计算结果最大偏差小于5%。提出了一个"容积阻力比"的无量纲系数,以此作为评判水下热滑翔机壳体外形综合性能的指标;将纺锤体外形与椭球体首尾外形的优点相结合,提出了水下热滑翔机的新型壳体外形。相比先前讨论的4种壳体外形,该外形具有最大的容积阻力比系数,表明该外形设计在水下热滑翔机的低阻特性与装载能力2种性能之间取得了较好的平衡和兼容。     

翼身融合水下滑翔机水动力及外形优化设计

为提高水下滑翔机的滑翔性能,引入航空领域的翼身融合布局,设计一款翼身融合水下滑 翔机.该滑翔机以类椭圆结构作为主体平面外形,剖面采用NACA0012高升力翼型.基于黏性流体计算软件FINE/Marine对该翼身融合水下滑翔机的初始外形进行数值模拟,论证该滑翔机构型具有优异的水动力性能.采用CAESES软件对翼身融合水下滑翔机进行全参数化建模,并以升阻比为优化目标,兼顾内部容积的需求.提出组合算法优化策略,设计2套算法组合的方案,并对其进行优化.优化结果表明,Sobol算法与NSGA-Ⅱ算法的组合更具优势,优化后的翼身融合滑翔机的水动力性能更优越,最大升阻比提升了 15.3％,阻力系数降低了 6.5％,升力系数提升了 7.8％,水动力综合加权值提高了15.39％,舱容提升了 18.35％,滑翔机的滑翔稳定性得到了提高.该组合优化方案为水下滑翔机的优化设计提供了新的思路.     

基于响应面法的水下滑翔机联翼布局优化设计

为分析水下滑翔机联翼布局对水动力性能的影响,提出一种联翼布局的外形参数化方法,选取几何展弦比为6的联翼式水下滑翔机为初始构型,采用单因素法对各参数对滑翔机水动力性能的影响进行分析,并采用响应面设计中的效应面法（Box-Behnken Design, BBD）对滑翔机的联翼布局进行优化设计。结果表明：相比于初始构型,响应面法优化后的构型在保证稳定性的基础上将升阻比有效提升了8.19%。研究成果可为水下滑翔机联翼布局设计提供一定参考。     

弱温差下水下热滑翔机参数对相变过程的影响

在温跃层强度较低的弱温差层中,水下热滑翔机的相变材料的相变过程会受到阻碍,从而影响滑翔机性能。为了保证水下热滑翔机能够正常工作,通过对滑翔机的相变材料的相变过程和临界航程进行数值求解,分析不同的水平管半径和纵向速度对滑翔机的性能的影响,得出较小的水平管半径和较低的纵向速度可以有效地克服弱温差层下水下热滑翔机性能的恶化。     

细长前锥段超空泡航行器高速入水的载荷数值模拟

以具有细长前锥段的超空泡航行器为计算对象,利用动网格技术进行数值模拟,获得高速入水过程中的冲击过载,分析不同入水速度、通气与否时入水冲击过载的变化规律。研究表明通气可以有效地降低轴向过载,但对于法向过载,降载若使用通气方法,还须考虑空化器直径。     

细长前锥段超空泡航行器高速入水的载荷数值模拟

以具有细长前锥段的超空泡航行器为计算对象,利用动网格技术进行数值模拟,获得高速入水过程中的冲击过载,分析不同入水速度、通气与否时入水冲击过载的变化规律.研究表明通气可以有效地降低轴向过载,但对于法向过载,降载若使用通气方法,还须考虑空化器直径.     

浅水观察小型ROV结构设计与优化

针对小型水下机器人(ROV)体积小、质量轻导致抗干扰能力差等问题,从外形、密封耐压舱等主体部件出发,对整体结构进行优化设计,采用Fluent进行水下动力分析,分析所设计的小型ROV在水下航行时所受到压力及速度矢量变化,结合整体外形,推进器结构及电控系统的优化选型并得出优化设计结果,浅水观察小型ROV采用流线型设计后,可有效降低水阻同时减小体积,增强了运动性,能耐压能力强。     

三维刚体椭圆头结构高速倾斜入水冲击模拟

分析结构入水抨击载荷的非线性问题,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立三维刚体椭圆头结构入水模型,采用软件中的ALE算法,研究结构以不同入水角度和入水速度高速倾斜入水时,结构在入水初期所遭受的冲击压力峰值,得到不同条件入水时的压力峰值曲线,同时观察到在冲击入水初期自由液面的变化和伴随现象。     

基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模

外形参数化是水下滑翔机外形优化设计的重要内容,针对现有几何参数化方法在翼身融合水下滑翔机外形参数化中存在的问题,本文提出一种基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模方法。该方法首先基于B样条方法,建立翼身融合水下滑翔机外形的FFD参数化模型,实现滑翔机外形的自由变形;然后在此基础上,针对FFD参数化方法优化变量多的缺点,提出一种翼身融合水下滑翔机外形的轴变形参数化方法,对FFD控制体进行间接变形操纵,减少优化变量的数目;最后通过实例对所提方法的有效性进行了验证。     

基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模

外形参数化是水下滑翔机外形优化设计的重要内容,针对现有几何参数化方法在翼身融合水下滑翔机外形参数化中存在的问题,本文提出一种基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模方法。该方法首先基于B样条方法,建立翼身融合水下滑翔机外形的FFD参数化模型,实现滑翔机外形的自由变形;然后在此基础上,针对FFD参数化方法优化变量多的缺点,提出一种翼身融合水下滑翔机外形的轴变形参数化方法,对FFD控制体进行间接变形操纵,减少优化变量的数目;最后通过实例对所提方法的有效性进行了验证。     

基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。     

水下滑翔机水动力外形的选型分析

水下滑翔机常用于对海洋环境长时间、大范围的实时监测,需具备优良的水动力特性。论文主要研究滑翔机整机主体外形和机翼后掠角对水动力性能的影响,从阻力、功转换率及重心偏移量等多方面对水下滑翔机的性能进行评估,并从流动结构的角度探究原因。     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能。本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好。同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义。     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能.本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好.同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义.     

基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究

提高升阻比是实现水下滑翔机低功耗和远距离航行的重要手段之一。借鉴航空领域翼身融合布局具有的高升阻比特性，本文将其应用于水下滑翔机设计过程，并开展基于滑移网格的翼身融合布局水下滑翔机（blended-wing-body underwater glider,BWBUG)水动力性能研究。首先，开展约束模式下的数值仿真，并定量给出各水动力参数随攻角的变化规律，确定该水下滑翔机的最优航行攻角，探明最优攻角下BWBUG压力分布规律。然后，从压力分布、流线分布及升力分布规律三个角度，阐明翼身融合构型能够提升升阻比的原因。在研究过程中发现：翼稍涡存在会导致翼稍处压力骤变严重、流线紊乱形成涡流，阻碍BWBUG升阻比的提升。这也从侧面论证了BWBUG加装翼稍小翼的必要性。本文的研究可以为后期BWBUG的结构改进及外形优化提供参考。