航行器斜入水跳弹现象研究

为避免航行器结构破坏和电子器件失灵,可以利用入水时的跳弹现象减小入水冲击。本文通过实验方法探究了入水条件对航行器入水过程的影响,研究了不同速度和角度下航行器的跳弹/下沉过程,得到了一个可以预测航行器跳弹/下沉的经验公式。撞水瞬间航行器的头部会受到很大的冲击力,利用CFX软件对航行器不同工况入水过程进行了仿真,计算了不同工况下航行器的压力响应曲线,可以为航行器高速入水时减小入水冲击力提供参考。     

水下回转体微气泡减阻方案设计

通过数值计算方法,模拟回转体在水下的航行,分析回转体周围流场、压强及其壁面上阻力的分布,并根据计算结果为该回转体设计了有效的微气泡减阻方案.     

十字形和X形艉舵航行体的水动力特性对比

[目的]对于水下航行体的艉布局而言,相较十字形艉布局,X形艉布局具有不超宽、降低舵卡严重后果等优点。由于X形艉布局及其操纵较为特殊,其水动力特性与十字形不同。以SUBOFF为原型,通过数值计算对比十字形和X形艉布局航行体的操纵性水动力特性。[方法]首先,对比十字形艉布局线性水动力的数值计算与模型试验数据,确定数值计算的网格参数;其次,对全动舵面积相同的X形艉布局航行体线性水动力进行预报,并与十字形艉布局进行对比;最后,采用体积力模拟螺旋桨抽吸,对比研究两方案操纵性水动力特性的差异。[结果]结果表明:在相同全动舵面积下,相较十字形艉,X形艉布局航行体水平面静不稳定系数略小,垂直面静不稳定系数略大;受相邻两舵干扰影响,X形航行体垂直面、水平面舵力特性具有较为明显的不对称性,舵导数减小约27%;抽吸显著改变了十字形和X形艉布局航行体的水动力,舵导数增大约15%～18%。[结论]研究成果可为水下航行体操纵性设计提供一定的借鉴。     

水下运动体纵向控制弹道稳定性探讨

本文是水下运动体横-滚控制弹道稳定性探讨[1]的续篇,重点讨论控制参数与舵机特性对水下运动体纵向(即俯仰、寻深)弹道稳定性的影响.给出了理想控制参数的配置方法及算例.结果表明弹道(姿态,轨迹)稳定性是好的.     

高速航行体与运载器水面分离平面弹道数学仿真

基于势流理论计算水动力,求解线化的多体动力学方程,对高速航行体与运载器水面分离过程进行了二维弹道仿真.依据分离运动的特点,弹道仿真计及了适配器刚度和间隙、波浪扰动、流体作用力、助推器推力及分离内弹道过程,结合部分实验结果,给出了弹器分离运动的半经验半理论的计算分析方法.仿真研究考虑了航行体从水中发射到弹器完成水面分离的整个水下弹道过程.将仿真结果与模型实验结果进行了对比,验证了该方法的有效性.     

基于CEL方法的射弹高速入水数值研究

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法对射弹高速入水过程进行了数值模拟,重点对入水空泡的捕捉精度问题进行了研究。对于平头射弹而言,采用刚体壳单元进行几何离散、求解,由于双侧接触问题会使入水空泡的捕捉失真。基于对壳单元双侧接触形成机理的分析,获得了改善射弹高速入水空泡捕捉精度的方法。通过射弹入水后的超空泡形态与试验、理论研究结果的对比,表明了CEL方法对高速入水数值求解的有效性;进而通过射弹带攻角垂直入水尾拍过程的数值模拟,捕捉到了与水下发射试验相近的空泡不连续演化特征。最后,对数值模拟得到射弹尾拍载荷特性、射弹尾拍航行状态下姿态偏转角速度变化的分析表明,射弹尾拍对其水下弹道性能有重要影响。     

小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

航行体跌落试验研究

航行体跌落过程是水动力、空气动力与结构物三者的耦合运动水动力问题,入水运动的同时还伴随航行体高频弹性振动,尤其航行体尾部偏置舵板张合具有随机性和较宽的角度变化范围。这给航行体水弹道预测造成了很大困难,需开展航行体缩比试验研究。通过对大量试验结果分析,得到质心高度、俯仰角及初始角速度与最大下沉深度的关系,为航行体安全发射提供支撑。     

水下航行体推进轴系多状态下的变形特征分析

[目的]为了研究水下航行体推进轴系在多种状态下的变形及轴承负荷变化规律,[方法]以某水下航行体为研究对象,通过建立的轴系及水下航行体混合有限元模型,对该模型在船台、码头、水下3种工况下施加符合实际情况的载荷,以及设置相应的边界条件,计算航行体结构的变形,分别提取不同工况下的轴承位置变形和轴承负荷,并以轴承1和轴承3的连线为参考线,得到各工况下轴承位置处的相对变形。[结果]结果表明,针对该水下航行体,从船台工况到码头工况再到水下工况,轴系中心线的相对变形及其大小、轴承负荷的改变趋势均有差异;对船台工况的轴系轴承2预设向上0.090 9 mm的初始变形值,可达到轴系在水下工况处于理想状态的目的。[结论]研究结果可为水下航行体后续的轴系校中提供参考。     

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。     

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。     

高速航行体的自然超空泡流阻力特性研究

利用Fluent6.2对水下带圆盘空化器高速航行体的自然超空泡流动进行了数值模拟,计算分析了超空泡高速航行体的阻力特性,研究了空化器直径、航行体长细比对航行体超空泡减阻效果的影响,分析了高速航行体的超空泡减阻率。结果表明,超空泡形态下随着航行体速度衰减,航行体压差阻力系数缓慢减小,粘性阻力系数迅速增大,航行体的总阻力系数增加;航行体阻力系数与头部空化器直径的平方成反比;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数;高速航行体的超空泡减阻率可达95%以上。最后将仿真计算结果与水靶道试验进行了对比,二者基本相符。     

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。     

水面水下两用艇艇型设计及其水面阻力性能CFD预报分析

水面水下两用艇集水面高速航行与水下运载功能于一体,1个平台兼具2种运行功能,可以完整执行海上特殊任务。本文首先对国外水面水下两用艇发展现状及艇型特点进行简要叙述,而后采用重叠网格技术,基于RANS方程,对水面水下两用艇及双折角双防溅条滑行艇的水面高速自由模拖曳运动(计及升沉和纵倾)进行预报,对比分析了两用艇独特的艇体外形设计对其水面高速航行时阻力特性的影响,最后讨论阻流板对两用艇水面航行性能的影响规律,为两用艇的艇型设计以及水动力性能研究提供参考。     

水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

卡尔曼滤波在水下载体被动弹道跟踪系统中的应用

由于水声环境和信道的复杂性及水下航行载体的高速机动性,被动弹道跟踪系统测量的弹道样点野值较多,平滑性差.要对弹道进行较准确的实时跟踪,需要对弹道测量样点进行统计平滑处理.为了提高被动跟踪系统的定位精度和对机动目标的跟踪适应能力,采用卡尔曼滤波算法对弹道进行处理是常用的做法.介绍一种经过实用且效果较好的卡尔曼滤波算法,阐述了卡尔曼滤波算法原理和系统采用的信号模型及算法实现,并通过水下目标实航试验监测弹道及算法滤波处理结果的比较,说明该算法具有良好特性.     

航行体不同角度入水的空泡流体特性研究

为研究航行体不同俯仰角入水空化演变规律及空泡流体特性,基于Realizable k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立航行体不同俯仰角入水数值模型,开展数值方法验证,数值模拟结果与实验测试结果吻合。基于此,研究航行体入水空化过程演变机理及其不同俯仰角水空泡内流体分布规律和空化阶段演变特性。研究结果表明,依据空泡内流体分布变化规律空化过程可分为空泡的表面闭合阶段、饱和阶段、深度闭合阶段和溃灭阶段;在入水速度一定的情况下随航行体入水俯仰角增大空泡生成速率降低、空泡内的水蒸汽体积增长率减小、水蒸汽体积含量峰值变小、空泡饱和阶段的空气体积变大,体积范围为6%～9%;空泡表面闭合无量纲时间随入水俯仰角从-10°变化到10°呈对数趋势增长,空泡饱和无量纲时间近似线性递减,空泡深度闭合无量纲时间基本不受俯仰角变化影响。     

水下高速航行体并联出水过程的空化特性研究

基于VOF多相流模型,利用重叠网格技术实现高速航行体并联出水过程运动与流场的耦合求解,对不同并联间距下双航行体高速出水的多相流动特性进行数值模拟研究。对比单独出水和并联出水过程的超空泡演化特性,获得了航行体并联出水的无量纲纵向位移变化曲线、纵向速度衰减曲线、偏航角变化曲线。研究结果表明：并联高速出水过程中,航行体周围流场彼此发生干扰,抑制了超空泡内侧的扩展,而且当并联间距较小时,2个出水超空泡的尾部发生融合。相比单个航行体出水,并联出水过程中纵向速度衰减较快,使航行体的减阻性能小幅下降。并联出水航行体的弹道发生偏转,当并联间距较小时,航行体先发生向外侧偏转之后转向内侧偏转,当并联间距较大时,航行体只发生向外侧的偏转。     

基于OpenFOAM的大型三体船连接桥入水砰击载荷数值模拟分析北大核心CSCD

[目的]旨在探究三体船连接桥落体砰击载荷分布规律。[方法]基于OpenFOAM开源软件以及连续性方程和N-S方程,建立三体船连接桥自由落体入水砰击数值模型,模拟三体船连接桥自由落体入水砰击过程中的速度、砰击压力以及自由液面动态变化,开展网格收敛性分析,验证数值计算方法的正确性,并将数值解与实验值进行对比。[结果]结果显示,所提模型能够有效预报三体船连接桥结构的落体砰击载荷,靠近外折角点的连接桥砰击压力系数最大,得到了连接桥下表面砰击压力峰值及砰击压力系数与速度的关系。[结论]研究给出的三体船连接桥入水砰击压力特性和范围可为三体船结构强度评估与结构设计提供数值基础。     

水空跨介质航行器斜出水过程数值仿真

[目的]水空跨介质航行器(TMAUV)的斜出水过程是一个强非线性、非定常、流场变化剧烈的过程。基于一种可变体的TMAUV的水下构型,利用CFD流体仿真软件,对该构型在典型工况下的出水过程进行数值仿真。[方法]分析航行器在此过程中不同阶段的流场变化特性及其载荷的分布,比较航行器以不同的俯仰角和攻角出水时,在2个典型位置的流体速度场分布和航行器所受流体作用力的特性。[结果]结果表明,航行器倾斜跨越水空界面时两侧的流场和载荷会出现不对称的剧烈变化,俯仰角越大,在水下部分流场受动范围越小,跨越出水部分受影响越大;与零攻角出水相比,航行器带攻角倾斜出水会导致表面所受流体作用力出现高频率、大幅度的反向震荡,影响出水的稳定性。[结论]研究结果可为研究潜射导弹出水、船舶航行、潜艇跨介质等问题提供研究思路和理论参考。