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。     

滑行艇喷溅阻力特性模型试验研究

通过开展棱柱型滑行艇喷溅阻力的模型试验研究,提出了一种滑行艇喷溅阻力的计算分析方法.试验选取4组不同初始纵倾角τ=1.5°,2.2°,3.0°,5.0°,每个纵倾角对应2个吃水,分别为:τ=1.5°时吃水dA=37.3,27.3 mm;τ=2.2°时dA=58.0,38.0 mm;τ=3.0°时dA=58.0,48.0 mm;τ=5.0°时dA=73.0,53.0 mm.每个吃水下的航速分别为1,2,3,4,5 m/s共计40种工况.通过在艇底布置压力传感器测量航行过程中受到的水动压力,同时采用高速摄像机拍摄的视频捕捉航行过程中的喷溅区域和滑行面,开展滑行面压力传感器数据的处理分析,确定了滑行艇滑行面的阻力特性,在此基础上采用间接法完成了滑行艇喷溅阻力的分析计算.结果表明:高速滑行状态下,滑行艇的喷溅阻力约占总阻力的22%~35%.     

迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析

为准确计算滑行艇在波浪中的水动力性能,基于粘性理论,采用随体网格技术、耦合求解运动方程,完成了滑行艇在迎浪规则波中运动响应的数值预报.对滑行艇运动响应结果采用时域和频域方法分析,给出了入射波的周期与滑行艇固有频率对滑行艇运动响应的影响分析结果,对数值计算值与模型试验值进行比较.结果表明,数值计算方法可以准确且高效预报滑行艇在波浪中高速航行时的运动姿态及水动力特性,为滑行艇设计提供指导和参考依据.     

针对滑行艇水动力特性的非定常预报方法及应用

基于RANS方法和VOF模型,建立滑行艇定常水动力特性预报方法。在此基础上,针对艉吃水量求解问题,结合6DOF模型和重叠网格技术,建立滑行艇非定常水动力特性预报方法。典型算例验证表明,该方法能有效预报滑行艇的阻力和艉吃水量,预报精度满足工程应用需求。进一步应用该方法分析某滑行艇艇型底部细节设计对水动力性能的影响,结果表明,该方法可有效指导滑行艇精细化设计,弥补传统设计方法的不足。     

基于多块结构网格的滑行艇巡航时流场研究

滑行艇是一种依靠动升力高速航行的船体,其流场复杂。为了捕捉滑行艇航行的流场特征,本文根据滑行艇的流场梯度变化建立合适的结构网格,采用RANS结合VOF方法对滑行艇不同航速的运动进行数值模拟,将不同体积傅汝德数下的滑行艇阻力的计算值与理论值和试验值进行对比,验证了数值方法的可靠性。详细分析了滑行艇航行的流场,包括水面兴波、方尾虚长度以及侧向喷溅现象。最后根据滑行艇的流场完整性,设计了外挂对转桨,并给出了自航滑行艇的流场特性。     

水气双重介质共同作用下可控水翼滑行艇纵向运动预报

为了探究水气双重介质共同作用下可控水翼滑行艇的运动响应,本文基于喷水推进滑行艇的高速运动原理,建立了水气双重介质共同作用下可控水翼滑行艇非线性纵向运动数学模型。分析了在水气双重介质共同作用下可控水翼滑行艇滑行过程中的受力特性,确定了艇体受到的重力、浮力、动升力、水翼的升阻力及力矩等。提出了可控水翼对滑行艇运动过程中的升沉量和纵倾角的控制策略。完成了0~8级线性风、周期风、随机风作用下水翼变攻角和水翼变攻角+纵向运动对滑行艇运动升沉量和纵倾角控制结果分析。结果表明,当主机输出功率一定时,水翼变攻角可以控制滑行艇的升沉量,弱化纵倾角幅度,而水翼变攻角+纵向运动可以同时控制滑行艇的升沉量和纵倾角。本文为水气双重介质共同作用下可控水翼对滑行艇纵向运动预报提供了有效的研究方法。     

喷水推进高速三体滑行艇数值自航研究

为了验证计算流体力学(CFD)方法预报滑行艇自由液面粘性流场的精确度,判断为某三体滑行艇设计的喷水推进器能否满足快速性要求,采用CFD方法对某喷水推进高速(1Fr_L1.8)三体滑行艇进行两相流的数值自航,并与试验值比较。运用切割体网格技术并基于RANS VOF求解,首先计算了五个不同速度下的裸艇阻力。结果表明:阻力系数最大误差8.3%,最小误差0.5%,达到了较好的计算精度;采用等推力系数法,在模型尺度下进行"滑行艇+喷泵"的数值自航,将结果推算到实尺度艇,结果表明该喷泵可以达到设计航速;高速航行时推力减额为负的主要原因是艇首尾压差阻力的显著降低。计算结果显示,考虑自由液面时滑行艇底部会出现不合理的水气分布,这影响到滑行艇的阻力性能和喷泵的推进性能,通过局部网格加密可以显著减少艇底非正常水气分布,但艇底气水层难以完全消除,这可能是CFD方法预报滑行艇阻力精度难以控制的原因之一。     

对滑行艇设计的几点思考

介绍了滑行艇的阻力及其计算 ,提出了一种简单而又行之有效的计算方法。分析了滑行艇诸要素对其快速性及适航性的影响。对 6 3m滑行艇的设计进行了简要分析     

艉部斜升角对滑行艇阻力性能影响数值模拟

关于滑行艇在静水中阻力性能以及航行姿态的预报问题,运用商用软件STAR-CCM+进行数值模拟,将所得结果与试验值以及SIT法计算结果对比,验证流体计算软件STAR-CCM+预报滑行艇阻力性能的可行性。以直棱柱型滑行艇为模拟船型,探讨艉部斜升角的变化对滑行艇阻力及其航行姿态影响规律,找出使得该滑行艇阻力性能最优的艉部斜升角。     

大尺度高速水下无人艇控制系统设计与试验验证

[目的]为了在三维空间宽航速段内实现大尺度高速水下无人艇(UUV)的路径跟踪,在考虑无人艇的试验动作要求、控制精度要求及水动力特性的情况下,设计了基于模糊控制理论的自适应制导方法。[方法]基于解耦控制方法,首先将水下无人艇的航行控制分解为航速、航向、纵倾和深度控制问题;然后分别设计积分分离比例—积分—微分控制器(PID控制器),并引入指令及状态滤波器,以改善该水下无人艇动态响应特性;最后,通过湖试验证水下无人艇在不同航速下的控制性能。[结果]结果表明,在6,9,13 kn等试验航速下,水下无人艇跟随目标路径和深度的误差均在合理范围内,验证了该控制体系及控制方法的有效性。[结论]所得结果对新一代试验艇的运动控制技术研究具有一定参考价值。     

浮力驱动式水下滑翔机姿态调节机构研究

浮力驱动式水下滑翔机对我国海洋勘探和国防建设有着重要的应用前景。本文介绍了水下滑翔机的工作机理,对某一滑翔机,重点设计了实现姿态调整的横滚控制组件和俯仰控制组件,同时提出总体布局的原则,并给出了滑翔机总体结构布局方案。对所设计的滑翔机的总体衡重参数和流体动力参数进行了计算,初步验证了总体设计方案的可行性,可以满足设计指标要求。     

混合驱动水下滑翔机动力学建模与海试研究

  目的  浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,  方法  通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。  结果  结果表明：在2.5 MPa压力环境下,浮力调节系统出油过程正常;在大气压力环境下,浮力调节系统的回油过程正常,所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。  结论  研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。     

新型温差能驱动水下滑翔器系统设计

温差能驱动水下滑翔器使用海洋温差能作为驱动能源,只使用少部分电能用于控制和传感系统,其巡航范围和工作时间远远大于其它种类的水下航行器,与电能驱动水下滑翔器相比也具有明显优势.文章给出了温差能驱动水下滑翔器各功能模块设计和试验,并进行了总体系统的水域试验,验证了系统设计的有效性.     

试验型水下滑翔机的动力学分析及实验

水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器,它是由净浮力来驱动的,同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。对于大多数水下滑翔机,浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的,文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程,该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成,最大下潜深度为30米。文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性,并且给出了在稳定时刻的解,并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能.本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好.同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义.     

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FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模

外形参数化是水下滑翔机外形优化设计的重要内容,针对现有几何参数化方法在翼身融合水下滑翔机外形参数化中存在的问题,本文提出一种基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模方法。该方法首先基于B样条方法,建立翼身融合水下滑翔机外形的FFD参数化模型,实现滑翔机外形的自由变形;然后在此基础上,针对FFD参数化方法优化变量多的缺点,提出一种翼身融合水下滑翔机外形的轴变形参数化方法,对FFD控制体进行间接变形操纵,减少优化变量的数目;最后通过实例对所提方法的有效性进行了验证。     

水下滑翔机滑翔运动的能量分析及水动力性能研究

水下滑翔机是一种新型水下无人潜航器,它通过改变自身的浮力在海中前进,续航时间可长达数月或一年.文中对水下滑翔机滑翔运动过程中的能量变化进行了分析,建立了上浮和下潜运动数学模型,通过数值计算方法对水下滑翔机不同速度和攻角下的水动力进行了计算和分析,可为水下滑翔机总体设计与运动控制提供参考.     

基于势流的水下滑翔机的飞行模拟器(英文)

Underwater gliders are recent innovative types of autonomous underwater vehicles (AUVs) used in ocean exploration and observation. They adjust their buoyancy to dive and to return to the ocean surface. During the change of altitude, they use the hydrodynamic forces developed by their wings to move forward. Their flights are controlled by changing the position of their centers of gravity and their buoyancy to adjust their trim and heel angles. For better flight control, the understanding of the hydrodynamic behavior and the flight mechanics of the underwater glider is necessary. A 6-DOF motion simulator is coupled with an unsteady potential flow model for this purpose. In some specific cases, the numerical study demonstrates that an inappropriate stabilizer dimension can cause counter-steering behavior. The simulator can be used to improve the automatic flight control. It can also be used for the hydrodynamic design optimization of the devices.     

水下滑翔机附加质量数值计算

水下滑翔机的附加质量对其运动状态影响较大,本文采用了Hess-Smith（面元法）方法编制了计算任意三维物体附加质量的程序,利用Gambit软件对水下滑翔机进行网格划分,计算出实验室所研制的水下滑翔机附加质量,同时利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,结合动网格技术和UDF（User-Defined Function）,对水下滑翔机进行了PMM（Planar Motion Mechanism）试验模拟,并与Hess-Smith方法得到的结果进行对比,分析两者之间的特点和各自优势。