扰流片式推力矢量控制的气动力学研究

文章基于气动力学中激波的相关原理,通过数值模拟研究了扰流片式推力矢量控制的工作原理、燃气流动偏转以及燃气与扰流片之间的相互作用。以减小扰流片侧向引起的推力损失为目的,基于膨胀波及超声速普朗特-迈耶流动的基本原理,获得了减小扰流片对燃气核心射流影响的基本方法,并通过数值模拟验证了R-73扰流片式推力矢量控制气动设计的合理性,获得了其扰流片、致偏装置的基本设计原则。     

射流扰动下舰船多叶片螺旋桨角度的实时调整

以实时调整舰船多叶片螺旋桨角度,提升舰船多叶片螺旋桨应用性能为目的,研究射流扰动下舰船多叶片螺旋桨角度的实时调整技术。利用协同射流控制技术,以三维雷诺平均N-S方程作为控制方程,求解状态矢量、对流通矢量、耗散通矢量等;利用上述参量分析协同射流螺旋桨形态受力情况,获取射流扰动产生的作用力;基于该作用力计算喷口动量系数、气泵功率系数等,分析这些参数对协同射流的影响,基于这种影响实现舰船多叶片螺旋桨角度实施调整。实验结果显示该方法所得的数据具有较高的可靠性,利用该方法实时调整射流扰动下舰船多叶片螺旋桨角度,能够显著提升螺旋桨的性能。     

全回转导管桨水动力干扰数值预报与分析

为探明串列全回转导管桨水动力干扰问题,基于粘流理论,采用滑移网格方法,开展了均匀来流下两个串列桨在不同偏转角度下水动力性能的数值预报研究,定量分析了不同偏转角度下,上游桨对下游桨水动力的影响,重点关注不同偏转角度时下游桨推力、功率损失及叶片负载的脉动无序性。研究结果表明,在上游桨尾流影响下,上游桨无偏转角度时,下游桨推力损失约70%,上游桨偏转10度时,下游桨推力损失约15%。本文研究结果对动力定位系统控制策略具有指导意义。     

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。     

大推力水下航行器运动偏移特性数学建模

水下航行器在维持深水域航行探测时需要大推力辅助,很容易产生运动偏移,为了提高水下航行器运动偏移特性数据分析的准确度,设计应用数学坐标建模思想,建立航行器偏移特性数学模型。引入地面坐标系和水下局部坐标系,建立整体坐标系概念,将航行器运行轨迹看做静态坐标变换过程,构建2项坐标转换方式,为了简化计算步骤,根据坐标系概念确定当前航行器水下流体微元,在浮力、环境力和重力引导下确定航行器运动方程表达式,依据运动方程表达式建立矢量控制模型,最终根据欧拉角关系速度矢量和偏转特性,解析控制模型,获取最终数据结果。实验数据表明,该分析模型法向阻力系数计算准确度提高了27%,切向阻力系数提高了22%,可以有效提高数据计算的准确度。     

高速欠膨胀射流结构及推力特征研究

为了研究水下发动机不同工作状态射流结构变化及原因,利用轴对称及VOF模型对水下发动机射流进行仿真,研究发现高马赫数、欠膨胀状态下射流发生"准回击"现象;与具有四个典型过程的过膨胀状态下的射流结构相对比,发现高度欠膨胀下,射流的激波结构阻断了断裂与回击使得回流无法到达壁面完成回击;发动机推力因"准回击"现象骤变,因在激波及膨胀气体共同作用下回击力度受限无法到达壁面而被来流气体带往下游;对长时间射流流场结构研究发现,高度欠膨胀下的射流边界为成一定角度的倾斜直线。     

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°～30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。     

三维空泡回射流的理论研究

空泡回射流以某个方向冲击空泡壁面是导致空泡发生不同脱落方式的重要原因,但是空泡回射流的方向目前认为是一个不确定量,需要人为指定.该文针对无界重力流场中的三维空泡,基于势流假设和积分方程推导了一个计算回射流角度和回射流截面面积的三角函数代数方程组,并且在小角度条件下给出了回射流角度和截面面积的理论解析式.研究表明,空泡回射流角度与空化器的攻角、阻力和空泡浮力有关.     

三维空泡回射流的理论研究（英文）

空泡回射流以某个方向冲击空泡壁面是导致空泡发生不同脱落方式的重要原因,但是空泡回射流的方向目前认为是一个不确定量,需要人为指定。该文针对无界重力流场中的三维空泡,基于势流假设和积分方程推导了一个计算回射流角度和回射流截面面积的三角函数代数方程组,并且在小角度条件下给出了回射流角度和截面面积的理论解析式。研究表明,空泡回射流角度与空化器的攻角、阻力和空泡浮力有关。     

作业型ROV矢量推进建模及推力分配方法

为了研究矢量推进遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)的推力分配方法,根据总体结构中推进器的空间分布关系,推导出推进器推力和作用于ROV本体上合推力之间的关系,进而建立了一种过驱动ROV矢量推进系统的数学模型。在Matlab中构建了ROV运动控制的仿真模型,通过直接推力分配法验证了目标ROV矢量推进系统数学模型的准确性。提出了一种将六自由度控制量归一化和伪逆法结合使用的综合推力分配方法,通过仿真验证了该方法可有效解决直接伪逆法出现的推进器饱和问题,可直接应用于解决矢量推进水下机器人运动控制的工程问题。     

新型爪式水泵应用于水下航行器喷水推进上的性能分析

为研究新型爪式水泵应用在水下航行器喷水推进上的性能,对该新型爪式水泵的流场特性、不同转动角度下内泄对扬程的影响等性能进行分析。建立水泵喷水推进数学模型,并进行推力模拟试验及其影响因素分析。结果表明:新型爪式水泵在角度0°时的泄漏量最低,在角度40°时的泄漏量最高,在不同尺寸间隙下,随着角度改变,泄漏量变化趋势一致,而随着间隙的增大,内泄量增多。推力随喷嘴尺寸变化的试验结果与理论模型预测值的变化趋势一致,推力与喷嘴直径呈负相关关系。随着航行器航行速度的增加,喷水速度增大,且增大的幅度会比航行器航行速度的增加量大。     

空气动力艇回转式推进装置的动力学特性

依据动力学特性设计一种新型空气动力艇回转式推进装置,通过简化流场模型和分析对称翼形受力计算空气螺旋桨推力和舵板受力,对比传统推进装置和回转式推进装置在不同转向角和螺旋桨转速条件下的动力学特性差异,并引入增值系数K对转向性能进行分析。研究结果表明:小偏转角下传统推进装置的推进和转向性能较好,但大偏转角下回转式推进装置的推进和转向性能要优于传统推进装置,且转速越高转角越大,其性能优势越明显。     

跨声速射流冲击对挡板作用特性的模拟分析

为了得到跨声速理想膨胀射流冲击对于挡板的压力、驻点位置等规律,对射流角度为45°,60°和90°,射流距离与喷口直径比H/D为4,6,8的模型进行了数值模拟．结果表明：当H/D从4增加到8时,作用力增加约10％,改变的幅度较小;当射流角度从45°增加到90°时,作用力提高大约40％,作用力大小跟射流角度关系较大．射流角度从45°增加到90°时,驻点距离射流中心由0.07～0.10 m减小到0;射流距离变化对驻点的距离影响很小,变化幅度在10％左右．     

水下湍射流噪声试验研究

喷水推进器喷注噪声是潜艇重要的水下噪声源。文中旨在对类似的水下自由射流场噪声进行实验测量研究。用压力桶作为混响水池,在其中对扩张喷口、平直喷口、收缩喷口射流在这种压头下辐射噪声功率进行测量,比较其区别并分析水下湍射流噪声特点。     

两相流相互作用下的船模微气泡减阻性能数值仿真

基于两相流理论,对集装箱船船模进行微气泡减阻性能数值仿真研究。分析船模在不同喷气口位置、流体含气率、不同喷射速度和角度下的流场分布和减阻效果。结果表明：当流体微气泡含量过高时,会增大船体摩擦阻力,流体含气率为10%~20%时,有较好的减阻效果,喷气口位置在距离球鼻艏后缘约三分之一船长附近具有较高的空气覆盖率,喷气口喷气方向垂直向下所产生的减阻效果比喷气方向偏向船侧效果要好,且船速较高时可允许较高含气率流体注入流场并增大减阻效果。     

柔性操纵翼面的推力特性研究

柔性操纵翼面是翼面形状可以改变的翼型，它可以通过翼面的柔性摆动拍水来产生推力，实现对潜器姿态的有效控制。论文建立了NACA0012翼型柔性摆动时的运动学模型，并对摆动时产生的推进力进行了公式推导，然后选用有限体积法和标准k-ε湍流模型，运用FLUENT动网格DEFINE_GRID_MOTION宏，编写UDF，在静水条件下对柔性操纵翼面摆动状态时进行了仿真。结果表明，操纵翼面在柔性摆动过程中产生了类似鱼类游动时的反卡门涡街，形成了向前的推力。柔性操纵翼面的这一特性，应用前景十分广阔。     

过热水喷流发动机喷管中的流动数值模拟与基本特性分析

文章基于蒸发冷凝模型建立了闪蒸相变模型,对过热水喷流发动机喷管中的两相流动过程进行了数值模拟,发现高温高压流体在流动的过程中伴随着相变和膨胀的发生,两相流体在喷管收缩段、喉部和扩张段中流动特性各不相同,与实验数据进行对比验证了模型的准确性。研究了喷管形状对流动基本特性的影响,发现扩张比和扩张角对两相流在喷管中的相变和膨胀过程影响不同。该文所做研究对揭示两相流闪蒸相变机理、寻求各参数之间的匹配关系有着重要意义,可以为设计过热水喷流发动机提供理论基础。     

VLCC风帆船航态及负荷变化对推进因子的影响研究

文章针对一条VLCC风帆助推船舶开展水池快速性模型试验研究,通过开展直航、系列变漂角、系列变舵角等工况的模型阻力和变负荷自航试验,研究船舶在风帆助航工况下由于航行姿态和螺旋桨负荷变化引起推进效率的变化规律.基于系列变漂角、变舵角的试验分析结果,开展了船舶自航因子的统计回归分析,据此可开展VLCC风帆助推船在特定航行工况的节能收益评估.论文研究表明:该VLCC船舶航态及航行负荷变化对船后推进因子和推进效率影响有其规律性;本文开展的试验研究和分析方法可对此类风帆助推船舶的节能收益进行定量评估.     

耙吸式挖泥船耙头冲水系统喷嘴布局的优化研究

基于计算流体动力学基本理论,分析水射流冲击硬质黏土过程中产生的冲击压力,比较不同喷嘴间距及排列方式对靶物冲击效率的影响。选取单排和双排流场模型,用Fluent软件进行数值模拟,进行网格无关性验证,发现模拟结果与已有的试验数据对比的误差为5.53%。研究结果表明:合理减小喷嘴间距能够增强高压冲水系统对泥沙的破碎能力,单排排列方式时,喷嘴间距L不宜大于126mm;间距过小,高压水射流冲击靶面形成的回流会削弱射流的发展,降低高压射流对泥沙的破碎效率;间距过大,则会导致靶面上两高压射流之间有压力较低的区域形成沙脊。双排时,喷嘴采用正三角形排列,可有效消除沙脊,且双排交叉排列对靶距变化具有较强的适应性。     

金枪鱼延绳钓船机电混合动力推进系统应用研究

作为一种新型推进方式,机电混合动力推进系统具有调速范围广、驱动力大、正反转易控、体积小、布局灵活、安装维修方便、振动和噪音小等优点。金枪鱼延绳钓船正常航行与作业航行时的航速不同,高航速航行时,使用柴油机推进系统;低航速钓鱼作业时,使用电力推进系统,柴电推进系统相互切换,相互联锁。经过实船测试,机电混合动力推进系统比柴油机推进省油约25%;前者可以提高金枪鱼船推进系统冗余度,提高船舶放钓、收钓作业工况下的操纵灵活性,大幅度提高船舶操纵性和综合推进效率,提高了船舶经济性与环保节能性,具有广阔的应用推广前景。