通气超空泡形态及视景仿真研究

超高速航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式和运动特性完全不同于常规水下航行器。为了分析超高速水下航行器运动的稳定性,本文对超空泡生成机理进行研究,给出描述超空泡形态的数学模型,得到不同影响因素作用下超空泡形态的变化规律。为验证超空泡实时生成效果和超高速水下航行器运动过程各种动作功能,采用Vega Prime构建三维虚拟环境,在此基础上设计超空泡视景演示系统,通过ADI仿真系统实时解算超空泡和水下航行器运动数据来驱动超空泡视景系统,逼真地演示超空泡动态生成过程以及水下航行器高速运行轨迹和"空泡+航行器"的相对运动关系等关键技术。     

超空泡航行器流体动力仿真

利用超空泡技术来突破水下航行器的速度屏障.超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂.为了进一步分析超空泡流场中航行器受力特性,先描述了超空泡形态,分析影响超空泡变形的主要因素,然后对超空泡流场中的航行器出现的流体动力进行分析,并且对流体动力进行线性处理.本研究结果有利于航行器运动特性分析.     

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.     

空化器几何参数对通气超空泡生成影响的实验研究

为了探索通气超空泡的生成机理和获取形态可控有效减阻的超空泡,文章利用中速可持续通气空泡水洞进行了空化器和通气联合生成超空泡的实验研究.详细分析了通气超空泡的生成和发展过程;给出了空化器直径、空化器线形对通气系数门限值和通气超空泡形态的影响.研究表明,在相同条件下,较大直径空化器模型形成通气超空泡需要的通气系数门限值较低,相应的超空泡尺寸也较大;平头倒角形和圆盘形空化器比圆锥形的形成通气超空泡需要的通气系数门限值低,相同条件下前者形成的超空泡尺寸也较后者大;对于圆锥形空化器,锥角较小的不易形成通气超空泡.文中实验研究结果为水下航行体的空化器合理设计提供了重要的参考依据.     

基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真*

研究并建立高空滑翔水下航行器的虚拟现实的视景仿真系统,分析水下航行器全弹道控制并在视景仿真平台下实现水下航行器全弹道多状态攻击轨迹模型。高空滑翔水下航行器姿态变化快,背景参数复杂,视景仿真中会出现局部模型快速变化或者模型分离的难题。提出采用DOF和Switch节点相结合的方法,利用其Matlab Simulink仿真模型,计算高空滑翔水下航行器的六自由度数据,通过Matlab的“To Workspace”模块将六自由度数据输出并存档。在VC＋＋6．0环境下编写Vega应用程序,读取运动参数,应用LOD技术在不降低显示速度的同时提高仿真视觉效果。仿真实验和测试效果表明,系统实能实现水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脱离以及水下攻击等多状态的水下航行器运动弹道轨迹和视景仿真效果,以及运动控制参数的同步跟踪,不再会因局部模型快速变化和模型分离而失真。为分析空投滑翔水下航行器的运动轨迹提供了数据支撑和视景平台支持,对展开高空滑翔水下航行器的弹道控制研究和试验具有重要价值。     

水下高速射弹超空泡形态特性的数值模拟研究

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空化流动的多相流CFD模型,分析了带圆锥和圆盘空化器头部2种高速射弹模型所产生的超空泡形态特性.仿真结果表明,圆盘头形空化器有利于射弹超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;空化数越小,超空泡的长细比越大,减阻效果也越好.最后,通过Fluent软件的自定义函数模拟了带圆盘空化器头部射弹超空泡流发展过程,得到了射弹在水下高速航行过程中超空泡形态的变化特性,研究结果为进一步研究水下高速射弹空泡流水动力特性提供了理论参考.     

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。     

水下航行器对抗视景仿真系统研究

为了能更好地观测仿真过程，为分布交互仿真系统配备视景演示系统已经成为一个趋势。以水下航行器分布交互仿真系统中的视景仿真系统为对象进行了研究；给出了系统的构成以及程序的实现；重点解决了网络通讯接口、人机交互接口、系统的适应性等问题。     

超空泡航行体前部线型对空泡生成过程的影响

本文基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了三种具有不同前部线型的航行体模型．并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞中进行了前部线形对超空泡生成影响的实验研究．结果表明：超空泡生成速度和空泡成生所需临界通气量与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高空泡的生成速度、减少超空泡生成所需的临界通气量．实验数据显示文中设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡所需临界通气量都有明显减小,空泡生成速度有明显提高．文章研究方法为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量,提高空泡的生成速度提供了一条技术途径和研究方法．     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

智能水下机器人的建模和控制策略研究(英文)

To provide a suitable model for AUV simulation and control purposes, a general nonlinear dynamic model including a novel thruster hydrodynamics model was derived. Based on the modeling method, the “AUV-XX” simulation platform was established to carry out fundamental tests on its motion characteristics, stability, and controllability. A motion control strategy consisting of both position and speed control in a horizontal plane was designed for different task assignments of underwater vehicles. Combined control of heave and pitch was adopted to compensate for the reduction of vertical tunnel thrusters when the vehicle is moving at a high speed. An improved S-surface controller based on the capacitor plate model was developed with flexible gain selections made possible by different forms of restricting the error and changing the rate of the error. Simulation results show that the derived general mathematical model together with simulation platform can provide a test bed for fundamental tests of motion control. Additionally, the capacitor plate model S-surface control shows a good performance in guiding the vehicle to achieve the desired position and speed with sufficient accuracy.     

带吊舱水下机器人运动建模与仿真(英文)

To provide a simulation system platform for designing and debugging a small autonomous underwater vehicle’s (AUV) motion controller, a six-degree of freedom (6-DOF) dynamic model for AUV controlled by thruster and fins with appendages is examined. Based on the dynamic model, a simulation system for the AUV’s motion is established. The different kinds of typical motions are simulated to analyze the motion performance and the maneuverability of the AUV. In order to evaluate the influences of appendages on the motion performance of the AUV, simulations of the AUV with and without appendages are performed and compared. The results demonstrate the AUV has good maneuverability with and without appendages.     

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.     

水下机器人结构形式及其发展趋势分析

水下机器人的结构是影响其运动性能的重要因素。按框架式、刚性外壳仿生式、柔性外壳仿生式、球形、滑翔式和链式6类结构,对水下机器人结构形式的发展现状和存在的关键技术问题进行分析。重点分析各类结构的驱动速度、加装载重和运动灵活性,以及在水下环境中的运动性和适应性。研究结果表明,水下机器人的结构形式正朝着高度柔性化、整体与局部结构之间高度变形化和多体结构可分离化的方向发展。     

果蝇算法在基于LSSVM智能水下机器人操纵运动模型辨识中的应用

基于水下机器人的Z型仿真试验,应用支持向量机对水下机器人的操纵运动模型进行辨识,从核函数结构中得到水动力系数,并建立水下机器人的预报模型,引入果蝇算法对惩罚因子C进行寻优,以减少基于经验而选择的参数对辨识精度产生的影响。通过预报与仿真比较,验证了该方法的有效性。     

基于未知声速的水下三维单信标定位模型

现有水下单信标定位通常考虑航行器在二维运动状态下建立动力学模型,但实际上航行器在三维状态下运动.针对其三维运动的特点,将水深作为新的状态变量,基于原有5个状态变量,提出一种新型水下单信标定位模型,并建立相应的过程噪声模型.使用仿真数据,对比新型水下单信标定位模型与传统模型,利用卡尔曼滤波输出评估2种模型的定位精度.仿真...     

Simulation platform of navigation system for autonomous underwater vehicle

1 Introduction1 It is hoped the Autonomous Underwater Vehicle (AUV) can be fully autonomous, but the basis of this hope is that AUV can navigate and position accurately.Inertial navigation is the main navigation method for AUV, but accumulative error of t…     

翼身融合水下滑翔机运动仿真分析

针对回转体形状的水下滑翔机浅海水域滑翔能力弱的问题,以翼身融合水下滑翔机为研究对象,对其进行垂直面动力学模型的建立,并采用MATLAB/Simulink搭建运动模型仿真系统进行开环运动响应研究,分析执行机构的调节速度、浮力调节机构布局方式对水下滑翔机运动性能的影响,得到有利于浅海水域滑翔作业的解决方案;研究水下滑翔机系统输入对运动响应参数的影响程度和定量关系,分析水下滑翔机翼身融合水下滑翔机滑翔比与运动角度关系,得到小角度滑翔可充分利用大滑翔比优势适应浅海水域滑翔作业的结论。     

基于海浪干扰滤波器的UUV近水面深度控制

针对UUV在近水面航行过程中海浪波动对深度计测量造成较大干扰进而影响深度控制效果的问题,设计一种带有海浪干扰滤波器的UUV深度控制方法。分析UUV海试中深度控制性能,选取合适的参数设计海浪干扰滤波器并验证了其滤波效果。考虑到PID控制器参数选择难的问题,采用遗传算法对其控制参数实现在线自整定。最后将实时海浪加入到UUV深度控制系统进行仿真实验,并将仿真结果与海试数据对比,结果表明本文提出的方法可有效的抑制海浪干扰,改善UUV近水面深度控制效果,具有一定的工程实际意义。