内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。     

拖曳体内波尾迹水下/水面波流特征试验研究

内波水面效应对于水下航行体探测具有重要意义，目前关于水下航行体内波尾迹水面特征的相关研究还较少。本文介绍了在大型分层流试验水池中同时开展的以研究内波尾迹特征及其诱导的水面流动特征的拖曳体内波水下/水面尾迹特征试验研究。研究采用电导率仪阵列测量拖曳体(SUBOFF)水下内波波高场及其随时间变化，采用基于光学粒子图像互相关分析的流场测试方法测量拖曳体激发内波诱导的水面流场，并定量分析拖曳体激发的内波波长及其扰动引起水面流动的波长。研究表明：所采用的水面流场测量方法可以测量水面mm/s低速流动。在低傅汝德数Fr_i下(Fr_i≤2.14)，分层流体中拖曳体水面尾迹特征主要受水下体效应内波影响，其水面尾迹波长及传播速度与水下内波的波长、传播速度基本一致；随着Fri的增加(2.14≤Fr_i≤3.42)，在水下尾流效应内波逐渐增强，但在水面流场未见明显尾流效应内波影响；随着Fri的进一步增加(3.42≤Fr_i≤10.27)，水下呈现出明显的尾流效应内波特征，由于表面波效应增强，水面流动主要表现为Kelvin波特征。     

基于摆动喷管的水下航行体推力矢量控制流场特性仿真研究

本文针对航行体水下喷管摆动推力矢量控制动态过程,建立了流体动力与弹道耦合数值仿真计算模型,采用CFD手段分析了航行体水下运动过程中喷管尾部喷流流场与尾空泡相互作用流场的发展演化过程,获得了航行体摆动喷管推力矢量控制下非定常流场动态特性,为航行体水下运动控制方式的深入论证及应用提供了研究方法和手段支撑。     

水下航行体空间操纵性预报研究

通过建立水下航行体空间的操纵运动数学模型,运用Visual C++设计开发水下航行体操纵运动预报系统,对水下航行体水平面、垂直面及空间典型操纵运动进行数值预报,数值模拟结果合理,能够较为全面地预报水下航行体的空间操纵运动。     

水下航行体近海底运动操纵性研究

针对水下航行体近海底航行时的特点，首先建立了水下航行体的操纵运动数学模型，分别从水平面和垂直面两方面来考虑近海底对操纵运动水动力的影响，进而数值模拟和分析了水下航行体在近海底运动时的操纵性能变化规律，计算结果表明近海底航行使得其机动性减弱而运动稳定性增强。     

航行体水动力特性数值计算研究

航行体水中运动达到一定速度时,在航行体肩部及尾部会产生空泡,直接影响航行体的水动力特性及稳定性控制,当空泡进入高压区时瞬间发生溃灭,产生极高的压力冲击对航行体具有很强的破坏作用。本文利用数值计算方法对某航行体水下不同运动速度下的空泡状态、阻力系数进行研究,对该航行体水动力特性及水下载荷研究提供参考。     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

水下航行体的改进S面运动控制器

为研究水下航行体的纵向速度对其余自由度运动所产生的影响及其自身所承受的静力学作用,在分析水下航行体运动模型的基础上,提出了一种改进S面运动控制器。该控制器不仅保留了常规S面控制器参数易于调整且结构简单的优点,同时还克服了常规S面控制器在水下航行体高速航行时运动控制效果差的缺点。引入李雅普诺夫函数对该控制器的稳定性进行分析,并将该控制器成功应用于水下航行体的运动控制。将改进S面运动控制器与常规S面控制器的试验结果进行对比,结果表明:改进S面运动控制器在水下航行体的运动控制方面具有可行性及有效性。     

水下航行体回转水动力数值计算研究

准确预报水动力对水下航行体的安全操纵设计而言至关重要。基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用相对运动理论及运动叠加原理,并对控制方程中向心力源项空间离散误差进行修正,预报水下航行体做单平面回转运动的受力及力矩。在Re=11.7×106条件下,力和力矩预报精度的偏差在12%以内,表明所采用的数值预报方法有效、可行,具有较好的工程实用价值。     

航行体水下排气的热特征及影响因素分析

针对航行体水下排气热暴露问题,用Euler-Lagrange方法建立了数理计算模型,采用计算流体力学与计算传热学方法进行数值模拟,研究了航行体水下排气时的排气温度、航行速度、排气流量和海水温度等因素对海面热特征的影响。分析表明,降低航行体排气流量、提高航行速度、降低排气温度,均有利于降低航行体水下运动时的热特征,环境海水温度的变化对海面热特征的影响不大。     

水下航行体在非规则波中出水运动数值仿真研究

海面波浪是影响水下航行体出水姿态变化的一个重要因素。目前对此问题的研究多局限于规则波浪,但是真实的海浪环境一般很少是规则波,而是以非规则波浪为主的。为更好地对此问题进行研究,首先以ITTC海浪谱为目标谱,运用CFD数值方法构建长峰非规则波数值波浪水池,并采用谱分析方法对波浪数值水池精度进行了计算,效果良好;在此基础上对水下航行体在非规则波浪条件下的出水运动进行了数值计算,得出了长峰非规则波对航行体出水姿态的影响,为水下航行体出水姿态的预报提供了理论参考。     

航行体头型对气泡附着影响的数值研究

水下航行体穿越水中膨胀气泡时,气泡在一定条件下有可能附着在航行体上形成附着空泡,从而改变航行体水动力性能,为此开展了头型因素对气团附着空泡影响的数值研究。利用数值模拟方法计算了四种头型航行体穿越膨胀气团的过程,结果发现头型是影响气泡附着的重要因素:对于分离角较大的钝头型,气泡容易附着在航行体上形成附着空泡;对于分离角较小的细长头型,气泡受到扰动后就很快与航行体分离而不会附着。     

分层流体中三维球体水下运动尾迹的数值模拟

采用求解RANS方程和基于VOF方法的非定常粘性数值方法并结合湍流模型对球体在两层流体中水下运动时的尾迹特征进行了针对性的研究,成功模拟出球体在水下运动产生的表面波和内波,与理论分析及其文献研究计算结果进行对照,取得了较为一致的结果,为进一步使用粘性CFD方法系统研究分层流体中潜体运动尾迹的生成机理、传播特性等问题打下了坚实的基础.     

水下航行体降噪艉翼填角的数值模拟与试验研究

为降低水下航行体噪声,研究了艉翼填角的降噪效果。分析了水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对某无人水下航行体(UUV)设计了一种艉翼填角,运用CFD方法对该艉翼填角优化螺旋桨伴流场的效果进行了数值模拟,结果显示伴流场轴向速度的周向不均匀度系数下降35%-62%。将艉翼填角应用于该UUV,开展航行辐射噪声测量试验,结果显示艉翼填角使UUV航行噪声总声源级降低3.4 d B,尤其对低频噪声抑制较好。     

一种航行体水弹道的数值仿真与试验研究

针对一种航行体复杂的水弹道特性,对流固耦合数值计算方法进行分析,并在此基础上采用MSC.DYTRAN有限元分析软件建立起航行体水弹道仿真计算模型,应用该模型计算得到航行体水中运动规律。研究了水弹道缩比试验相似准则及测试方法,开展多发次缩比试验获取了航行体水弹道特性。仿真计算和缩比试验结果的对比分析表明二者一致性较好,试验和计算方法能够为相似研究提供指导。     

水下运动物体产生内波的研究进展

水下运动物体产生内波是内波动力学研究的一项重要内容,具有重要的军事应用价值。依据水下运动物体对周围层化流体扰动方式的不同,将水下运动物体产生的内波分为两类：Lee波和尾流内波。文章首先在综合Lee波产生机制的基础上,对Lee波的理论、实验和数值研究工作进行了归纳,并给出了通过这三种手段对Lee波进行研究所取得的成果。同时,对尾流塌陷内波和尾流随机内波的研究状况和研究成果进行了介绍和总结。最后,提出在推进水下运动物体产生内波的研究过程中需要关注的几个问题和相应的研究思路。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。     

一种考虑尾空泡影响的航行体流体动力数值仿真计算模型

文章针对水下垂直发射航行体,建立了一种考虑尾空泡影响的定常水动力数值仿真计算模型,分析了尾空泡对轴向力、附加力及俯仰阻尼力矩的影响。将仿真获得的考虑尾空泡影响的定常水动力系数代入理论弹道模型,预示水下弹道。计算结果表明,采用文中的考虑尾空泡模型及相应的流体动力求解方法获得的流体力系数,用于预示航行体运动参数的变化规律与模型弹射试验结果一致性较好。     

脐带缆对水下航行器动态响应的影响评估研究

为准确预测水下带缆航行器的运动状态,需先对连接于航行器尾部的缆索的运动形态进行预测并建立模型,以评估其对航行器运动的影响。本文提出一种数值方法,用于评估脐带缆索对水下航行器运动的影响,与实际结果进行对比分析后可知,该数值方法误差小,可以作为反馈控制器用以补偿脐带缆索对航行器运动的影响。这对于自动驾驶仪进行系泊作业具有重要的意义。本文重点研究水下航行器直航时张力的变化情况,结果表明拖点处缆索张力随着拖曳时间增长而增大,且近似于线性增加。由这一结果可以得出,在航行器直航时,缆索拖点处最大张力会限制航行器的直航距离或下沉深度。这一结论可用于指导直航时航行器作业距离。