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。     

水下高速航行体超空泡流动研究进展

介绍超空泡流动特性、空化器设计、航行体稳定性的理论建模和实验研究;对超空泡流动进行数学模拟,发展合理的空化模型、湍流模型等,并对该领域的研究方向进行了展望。     

水下航行体非定常空泡特性

航行体在水下高速运行时,其表面的局部低压区会产生空化现象,对力学性能有重大影响,空泡的不稳定性更使航行体表面的压力分布复杂。本文利用商用软件Fluent对轴对称航行体在水下高速运行时所产生的局部空化现象进行非定常模拟。通过Fluent软件的二次开发接口,引入更加合适的空化模型,并对RNG k-ε模型的涡粘性系数进行修正,通过与实验数据比较,验证方法的可行性。然后运用非定常方法实现对水下航行体肩部空泡初生、发展、脱落、溃灭等现象的模拟,揭示了空泡的周期性生长规律。通过观察空泡区流场流动规律及压力分布,研究发现空泡周期性脱落的原因。     

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。     

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.     

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.     

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。     

水下航行体表面状态细节流动特性数值分析研究

本文采用数值求解RANS方程的方法,对于水下航行体表面状态细节(小突体、孔穴)的流动特性进行了研究.计算详细地给出了航行体带小突体与表面开设孔穴后的阻力与流场,结果表明它们对于航行体水动力性能有明显的影响,在设计中应加以优化处理.     

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。     

水下航行器感应磁场计算方法研究

长期以来,人们主要通过物理模型实验来获取水下航行器的感应磁场。这种方法费用高,周期长,不易实现。文章采用电磁场积分方程法计算了水下航行器的感应磁场分布,其结果与实测数据比较,误差精度较高,满足工程要求,具有实际应用参考价值。     

水中航行体绕流数值计算研究

水动力设计是水中航行体设计的重要组成部分.文章采用数值算法分别对水中航行体全湿和带空泡两种不同状态水下绕流问题进行了计算研究,并与风洞及水洞试验结果进行了对比.计算结果与试验值吻合较好,验证了数值算法的准确性.同时得到了水下绕流的某些运动规律,研究结果对工程设计起到了一定的帮助作用.     

搭载拖曳线列阵声呐航行器流体动力仿真

利用商用CFD软件STAR-CCM+12.06对航行器线形与推进性能的关系及其阻力特性进行数值仿真研究,针对搭载拖曳线列阵声呐的小口径航行器进行流体动力仿真,详细分析了影响航行器航行品质的因素和有效减阻的方法,为优化结构布局提供初步的理论参考依据,仿真与试验结果符合较好。     

云状空化的非定常流体动力特性

基于高速全流场显示和动态压力测量技术,实现了非定常空化空穴形态和壁面压力的同步测量.采用该方法,同步观察和测量了收缩—扩张流道内云状空化形态的准周期性变化及其对应的壁面压力波动特性,分析了压力信号频谱,讨论了非定常空穴形态变化和壁面压力波动的关系.结果表明:扩张段内云状空穴的发展过程呈现出附着型空穴生长,附着型空穴断裂、脱落以及脱落型空穴聚合、生长、溃灭的准周期过程.壁面压力波动的主导频率约为21 Hz,对应附着型空穴的准周期生长、断裂和大尺度脱落型空穴生长、溃灭;次级频率约为42Hz,对应小尺度脱落型空穴非定常变化.同时发现空穴变化和压力波动存在如下关系:在附着型空穴的生长阶段,其空穴前部稳定附着区域的压力波动较小,其尾部非稳定区域的压力波动较大;当附着型空穴发展至最大长度时,其尾部空泡的非定常波动会使得相应区域压力波动更加剧烈.伴随着反向射流的发展,附着型空穴断裂、脱落产生许多小尺度脱落型空穴,其生长、溃灭等非定常变化会使得相应区域的压力波动变得复杂.小尺度脱落型空穴逐渐聚合、生长形成单一的大尺度脱落型空穴,伴随着其不断的向下游移动,相关区域被其覆盖时压力波动减小,脱离其覆盖或者经历其溃灭过程时压力波动显著增大.     

空化器倾斜角对超空泡流影响的三维数值仿真研究

为了研究空化器倾斜角发生变化时流体动力变化规律及其对超空泡航行体控制有效性的影响,对圆盘和圆锥空化器在具有不同倾斜角时进行了数值仿真,仿真结果表明:空化器锥角不同时生成的超空泡形态和空化器的流体动力特性都有很大的不同;不同超空泡航行体对于空化器的选择应该根据航行体自身特点进行选择;将圆盘和圆锥空化器进行组合可以改变单一种类空化器的外形和流体动力特性,增加对空化器选择的灵活性.     

支杆对水下航行体操纵性水动力系数的数值分析

作为水下航行体操纵性水动力系数之一,线性速度系数的准确预报对操纵性设计具有重要意义。通过与水平面平面运动机构模型试验的线性速度系数数据对比,建立了线性速度系数的数值计算方法。在此基础上研究模型试验中安装模型用的支杆对Suboff模型线性速度系数的影响,对比分析了有无支杆状态下水下航行体表面压力及流线分布特性。     

水下航行器内孤立波载荷形成机理数值模拟研究

弄清水下航行器内孤立波载荷形成机理是分析内孤立波对航行性能影响和控制研究的基础和前提。采用数值模拟方法深入分析模型位于内孤立波波面上方、穿越波面、位于波面下方3种情形下,模型受内孤立波流场水动力作用和分层密度差静力作用过程,对比不同潜深时纵向力、垂向力和俯仰力矩特性差异。研究表明,穿越波面的情况下,模型所处的流体密度变化,起了决定性作用,垂向力比纵向力大一个量级;穿越波面时,艏艉浮力不平衡,俯仰力矩有极大值和极小值出现;模型始终位于波面上方或下方时,受内孤立波流场的影响,其水动力性能也产生了明显的变化。     

水下航行器钛合金密封壳体焊接特性研究

密封壳体是水下航行器最重要的部件,本文分析了TC4(Ti6Al4V)的焊接特性,提出了具体的工艺方案,针对密封壳体制定了可行的焊接方案和操作规范。     

围壳对水下航行体水动力系数的影响特性研究

作为水下航行体的重要附体之一,围壳对其操纵性水动力系数存在重要影响。为此基于相对参考坐标系方法,开展旋臂水池数值仿真研究。通过与模型试验数据对比,建立了线性旋转速度系数的数值计算方法。在此基础上研究有无围壳状态、围壳在水下航行体上的轴向位置工况下水下航行体的水动力系数和流场特性,得到了围壳对水下航行体流场和水动力系数的影响。     

超空泡航行体水下弹道的数值计算

超空泡状态下的航行体水下弹道的研究涉及固、液、气(汽)三相介质的运动.本文应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,成功模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道.     

水下航行器的尾流场测试误差分析

采用Realized k-ε湍流模型求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,对SUBOFF全附体模型分别在风洞和水池试验条件下的尾部伴流场进行了三维粘性数值模拟,计算结果同试验结果具有很好的一致性,对两种试验条件进行模拟所得的结果是完全一致的,计算结果表明,在风洞和水池进行水下航行器尾流场试验所获得的结果差异主要是由于测试误差引起的.