升力型潜水飞行器水空动力学特性研究

水空两相介质物性的巨大差异为潜水飞机的水下潜航和空中飞行带来诸多难题,本文选择升力型航行器为研究对象,采用数值仿真手段研究其飞行和潜航动力学特性,模拟结果说明:在低速航行时,存在匹配的速度区间使得升力型航行器在空中和水下的各动力学参数随攻角的变化趋势相似并且数值相近,航行器获得相似的飞行和潜航环境;通过对水下高速航行的可行性的探讨,获悉升力型航行器不适宜在水下高速潜航,需采用变体方式改变构型来提高航行器的动力学性能。     

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。     

一种AUV载荷分离过程实验研究与分析

自主式水下航行器(AUV)越来越广泛应用于携带、布放载荷。介绍一种AUV两侧对称携带载荷的布置方法,对AUV与载荷分离过程做简单说明。通过对AUV携带2种不同重量的载荷海上航行实验数据分析,验证了采用该布置方案,载荷分离可靠,且对AUV水中航行姿态影响不大;同时,携带载荷水中重量越大,载荷分离对AUV水中航行时的横滚角影响越大。     

无动力运载器倾斜爬升式上浮特性分析

[目的]为保证无动力运载器的上浮参数以及出水姿态满足要求,对无动力运载器倾斜爬升式上浮特性进行分析。[方法]基于STAR-CCM+的重叠网格技术、动态流体相互作用(DFBI)以及流体体积(VOF)波模型,采用CFD数值计算方法,对无动力运载器上浮过程进行动态仿真,研究无动力运载器自身比重、质心与浮心位置、舵角以及释放初速对其倾斜爬升式上浮参数以及出水姿态的影响。[结果]结果表明:当净浮力为运载器排水重量的0.15倍时,运载器纵倾角稳定在45°附近;当净浮力为运载器排水重量的0.10倍时,运载器在倾斜的过程中会经历一个回摆过程;并非净浮力越大,运载器上浮的垂直速度就越快,当净浮力为运载器排水重量的0.20倍时,上浮的垂直速度反而最小。[结论]研究结果可为无动力运载器的总体布局和控制设计以及其他领域应用无动力运载器的可行性分析提供一定参考。     

超空泡航行体操纵过程流体动力特性数值模拟研究

超空泡航行体操舵过程会引起空泡变形,导致航行体流体动力学特性发生变化。为了了解超空泡航行体操舵过程中航行体的动力学特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD数值模拟方法及动网格技术对超空泡航行体空化器、尾舵操舵过程以及航行体攻角变化过程中的空泡形态及航行体瞬态流体动力特性变化规律进行了研究。研究结果表明空化器操舵过程中空化器升力随偏转角基本呈线性规律变化,对航行体尾部滑行力的影响相对于攻角变化对滑行力的影响为小量;尾舵操舵过程改变了空泡尾部流场,对于航行体尾部滑行力会产生重要影响。     

模块化小型水下航行器设计及其水动力学性能研究

基于模块化思想,设计一种小型水下航行器,该航行器共分为艏舱、前侧推进舱、前浮力舱、主控舱、后浮力舱、后侧推进舱和艉舱7个舱室,并在航行器上安装可拆卸式滑翔翼板,由滑翔翼提供向上升力。设计完成后,建立航行器的三维数值仿真模型,采用CFD软件对其进行水动力学性能预报,分析水下航行器的流场分布以及不同攻角下的升力和阻力特性,并通过试验验证数值仿真结果的准确性,为新型水下小型航行器的设计提供研究思路。     

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.     

基于混合网格的水下航行器系统航行特性研究

水下航行器系统是包含主体、推进系统和其余附体的整体结构,其航行特性研究是水下航行器系统设计的重要内容.为研究水下航行器系统的航行性能和航行时的表面压力特征和流场特性,基于CFD方法,使用重叠网格和滑移网格相结合的混合网格技术对某自主研发水下航行器系统模型进行直接模拟.结果表明:水下航行器系统在不同大小的推力作用下,会表现出不同的航行性能,通过推力-速度曲线可以插值得到不同推力下的航行点;水下航行器在来流速度不同时其所受表面压力大小不同,但分布规律相似,且具有相同的流场分布特性.     

水空两栖多旋翼飞行器出水控制及参数整定

介质跨越是水空多旋翼飞行器的关键运动之一,针对水空多旋翼飞行器的出水问题开展相关研究。首先,建立水空多旋翼飞行器的运动学、动力学模型,重点探究其在水下运动过程中的受力,借助Fluent软件对水空多旋翼飞行器在水下受到的粘性水动力进行分析,并进一步用多项式拟合粘性水动力与速度之间的关系。在此基础上,提出分段变参数PID跨介质控制方法,在Matlab中开展控制仿真实验。最后,引入遗传算法整定PID控制器,并将结果与前者进行对比。实验结果表明：水、空环境突变对PID控制算法影响巨大,分段变参数PID控制方法更加贴合实际跨介质过程;基于遗传算法的PID控制器参数整定方法能有效提高水空多旋翼飞行器跨介质性能。研究结果可为研究潜器跨介质、导弹出水、水空多旋翼飞行器的出入水控制等问题提供研究思路和理论参考。     

水下航行器头部流噪声性能数值模拟研究

流噪声的降低对水下航行器的隐蔽性提升、主动声呐系统探测能力的提高具有重要意义。首部作为水下航行器主要构成部分,其线型设计的优劣直接关系到流噪声性能和声呐系统工作环境的好坏。基于大涡模拟(LES)的流场计算结果,采用ACTRAN这一声学软件对2种不同头部线型、不同速度、不同攻角、不同监测点处的流噪声性能进行研究。分析研究发现,水下航行器流噪声能量主要集中在低频段,随着速度的增大而增大。在速度、攻角相同的情况下,头部端面半径小、头部长度较长的模型具有较好的流噪声性能。在同一模型下,头部驻点处的流噪声比头部端面一定半径处任何点的流噪声要小。将数值模拟与水下航行器流噪声特性水洞试验研究进行对比,两者得到的结论一致。     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响。本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法。     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响.本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法.     

水下吹除排污过程气体射流噪声数值模拟

[目的]研究水下航行体污水吹除产生的辐射噪声的规律特性和影响因素。[方法]基于大涡模拟(LES)与FW-H方程计算方法,对航行体贮容器排污过程进行流场分析和辐射噪声定量计算。[结果]数值模拟与实验结果均表明,辐射噪声主要受吹除压力和背压压差的影响,压差越大,辐射噪声越大,且其基本不受吹除背压影响。贮容器内水排空后,水下直接喷射排气会产生辐射噪声的"拐点",排气噪声显著上升;频谱图呈现低频特性,频率主要分布在1 500 Hz以内,且有明显峰值。[结论]为控制舰船水下吹除排污过程的辐射噪声量级,应尽量控制排气压差,并防止高压气体直接喷射至海中。     

半潜航行器纵平面流体动力数值计算与试验研究

半潜航行器因航行深度介于水面航行器和潜器之间而得名。为预报半潜航行器纵平面流体动力性能,开展数值仿真与风洞试验。研究航行器不同攻角、不同舵角下受力情况,计算速度系数、舵角系数以及耦合系数,并与风洞试验数据进行对比。针对耦合工况中舵效降低的情况进行了流场分析。仿真和试验结果表明：CFD仿真结果与试验结果吻合较好,具有较高预报精度;增加航行器攻角会影响前、后舵板贴体端稍涡的形成,迫使稍涡向上偏移,在吸力面形成一个直径与舵板弦长相当的涡。研究结论可指导航行器运动控制和前后舵布局优化。     

海空跨域航行器流体动力特性研究

为了兼顾水下航行器和空中飞行器的优势,本文提出一种基于升力原理实现水空作业且能多次自由穿越水气界面的航行器——海空跨域航行器,应用STAR-CCM+软件,基于重叠网格方法对航行器的气动水动特性进行数值模拟,分别得到了航行器在水中和空中航行时的升阻力以及升阻力系数。通过对结果的分析,验证了该航行器可以分别满足在水中和空中航行时的升阻力要求,这对海空跨域航行器的设计有着重要的参考意义。     

国外跨介质飞行器发展历程及启示

跨介质飞行器是指既可在空中飞行,又能完成水下潜航的新概念特种飞行器。跨介质飞行器集成了空中和水下2种航行器的能力,即飞机的空中飞行能力和潜艇的潜水隐身能力。本文结合国外跨介质飞行器的发展历程,介绍了潜水飞机、潜射无人机等新型两栖跨介质装备,并分析了其对我国的启示。     

国外跨介质飞行器发展历程及启示

跨介质飞行器是指既可在空中飞行,又能完成水下潜航的新概念特种飞行器。跨介质飞行器集成了空中和水下2种航行器的能力,即飞机的空中飞行能力和潜艇的潜水隐身能力。本文结合国外跨介质飞行器的发展历程,介绍了潜水飞机、潜射无人机等新型两栖跨介质装备,并分析了其对我国的启示。     

Hydrodynamic characteristics of underwater vehicle with X-rudder configuration coupling with incidence and rudder angle北大核心CSCD

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。     

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。     

波浪对运载器出水姿态角的影响

运载器是导弹水下发射系统的重要组成部分,运载器在水中运行弹道和出水姿态直接关系到导弹发射的成败,因此水弹道设计和仿真是导弹水下发射的关键技术之一。本文对某运载器在水中运动弹道进行了数学仿真计算,并利用波浪理论对运载器近水面航行时的弹道进行修正,讨论了波浪力(矩)对运载器出水姿态角的影响。