半潜式航行器运动特性研究

论文研究了半潜式航行器的运动特性,建立了半潜式航行器的运动学模型,并从深度控制和回转航行两个方面对半潜式航行器的运动特性进行半实物仿真。半实物仿真结果表明：前水平舵是影响深度控制的主要因素,并得出前水平舵舵角和深度的对应关系;回转航行研究了航行器的垂直舵角、航速和回转半径的关系,得出了在一定航速下,不同垂直舵角下的回转半径。此研究准确把握了半潜式航行器的运动规律,为半潜式航行器的设计以及精确控制提供了理论基础。     

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。     

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。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

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。     

水空跨介质航行器斜出水过程数值仿真

[目的]水空跨介质航行器(TMAUV)的斜出水过程是一个强非线性、非定常、流场变化剧烈的过程。基于一种可变体的TMAUV的水下构型,利用CFD流体仿真软件,对该构型在典型工况下的出水过程进行数值仿真。[方法]分析航行器在此过程中不同阶段的流场变化特性及其载荷的分布,比较航行器以不同的俯仰角和攻角出水时,在2个典型位置的流体速度场分布和航行器所受流体作用力的特性。[结果]结果表明,航行器倾斜跨越水空界面时两侧的流场和载荷会出现不对称的剧烈变化,俯仰角越大,在水下部分流场受动范围越小,跨越出水部分受影响越大;与零攻角出水相比,航行器带攻角倾斜出水会导致表面所受流体作用力出现高频率、大幅度的反向震荡,影响出水的稳定性。[结论]研究结果可为研究潜射导弹出水、船舶航行、潜艇跨介质等问题提供研究思路和理论参考。     

水下航行器变舵角滑行阻力数学建模分析

水下航行器变舵角行进过程中,受不同行进方式下的滑行阻力影响,造成能耗较高。为此,提出水下航行器变舵角滑行阻力数学建模分析方法。利用Ansys ICEM软件完成水下航行器的数值建模,并设定模型参数以及工况,在此基础上构建航行器的数学模型。在变舵角行进过程中根据构建的数学模型分析水下航行器的受力变化情况;通过控制水翼转角改变水下航行器的舵角,分析变舵角工况下水下航行器在水平运动、下潜运动和上升运动过程中受到的阻力。     

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。     

环量控制舵翼性能试验研究

本文将航空界提出的环量控制概念应用于船舵，按ＮＡＣＡ００１５翼型截尾后连接一个半圆柱的外型，制作一种尾缘喷流的环量控制舵模型，试验表明，加入喷流后，各攻角下的升力系数都有显著增加，为了减少这种舵翼的三维效应，进一步提高舵的性能，又在模型的中间和两端分别装上了隔流板。试验结果显示，隔流板的加入，使该舵性能在不同程度上得到改善。     

大攻角水下航行体自然空泡流的数值模拟研究

基于相分数输运方程型的均质平衡流空化模型,采用有限体积法研制了大型空泡流计算程序,对大攻角下运行的水下航行体三维空泡流进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.首次将非线性涡粘湍流模式与基于Rayleigh-Pies-set方程的TEM型空化模型相结合,建立了自然空泡流的数学模型.采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合修正算法、二阶精度三时间层格式以及基于延迟修正的高阶对流TVD格式.计算模拟了0.2～0.6空化数、4°～20°攻角的不同工况,得到的三维空泡形状及压力分布与实验结果相符.研究了大攻角下航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度和升阻系数与空化数和攻角之间的关系.通过定量分析发现,空泡的不对称性导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷.计算还发现,大攻角下的阻力系数与空化数之间的关系和零攻角条件下刚好相反,并根据空泡的不对称性从形状阻力与粘性阻力的关系上对这种现象作出了解释.     

襟翼舵水动力性能仿真研究

在传统的襟翼舵设计中,其水动力计算大多依据风洞试验图谱,并且通过经验公式进行换算,所以存在较大的误差。本文采用Fluent流体计算动力学软件进行襟翼舵实体模型的绕流分析,通过对不同攻角下襟翼舵的水动力性能仿真计算,使得舵型参数选取更为合理,为襟翼舵的设计提供了新的途径和依据。     

载人潜水器潜浮运动的模拟

为了预报中国正在研发的深海载人潜水器的潜浮性能,三自由度的动力学模型被用于仿真它在垂直面内的潜浮运动.作用于潜水器上的水动力系攻角的非线性函数,可用拖曳水池试验加以测定.利用这些试验值,GRNN神经网络方法可以辨识出大攻角范围内的水动力函数.本文通过数值计算结果揭示了其实际的应用.     

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。     

低噪声工况下潜艇自动舵控制策略研究

为了降低操舵系统的辐射噪声,利用遗传算法及粒子群法,以降低舵机噪声及提高控制精度为目标,开展自动舵控制策略的优化研究,并利用潜艇运动实时仿真系统和舵机液压系统组成的半实物联合仿真系统,开展相关半实物仿真试验.试验结果表明,该低噪声自动舵控制策略能有效规划舵板的打舵速度及舵角,既能满足潜艇的操纵性需要,又能降低操舵辐射噪声.     

潜艇舱室进水应急起浮时的机动性研究

为了探索潜艇应急起浮时的运动规律,在建立潜艇应急挽回操纵运动模型基础上,结合潜艇大攻角操纵性拘束船模水动力试验获得不同攻角状态下的水动力系数。引入敏感性指数概念,对敏感性指数高的水动力系数进行回归拟合时分为小攻角水动力系数和大攻角水动力系数两段进行描述,对潜艇不同事故应急起浮机动性进行仿真,得到潜艇应急起浮运动参数变化规律。结果表明,文中计算方法能够正确预报潜艇应急起浮的运动规律。     

特种半潜式无人航行器的优化设计

提出一种新型特种半潜式无人航行器方案,并对该航行器方案开展主尺度初步拟定和舱室划分等总体设计工作。基于STAR CCM+软件对该型航行器的水动力性能进行数值仿真分析,分析结果可作为推进系统设计及船型主尺度优化的依据。结合实际工程产品需求分析制约航行器推进系统设计的影响因素,分析续航力、航速、主机功率及电池质量之间的匹配关系,同时提出基于约束关系的主尺度优化方法。最后针对性能校核及数值仿真中发现的问题,提出半潜式无人航行器的进一步优化方案。     

基于CFD的高效舵多方案优化设计

为了提高某型船的操纵性,以提高升力系数为目标,综合考虑布置、强度和可加工性因素,对其舵系进行优化设计;应用CFD方法,模拟舵系在不同攻角下的三维流场,分析翼型最大厚度位置、加装制流板措施以及随边高效化设计对舵效的影响,得到舵效较优的设计方案。在此基础上,通过模型试验对比优化前后的舵系水动力性能,结果表明,采用高效能措施设计得到的舵系,在相同舵角下具有较高的升力系数。     

半潜式航行体横滚调整方式分析

半潜式航行体是遥控猎雷系统的重要组成部分,其姿态和航迹对系统探测精度影响较大。本文以加拿大遥控猎雷系统中的"海豚"半潜式航行体作为原型,建立其运动方程组,分别在不同航行深度和不同航速下对后水平舵板调整航行体横滚和垂直舵板调整航行体横滚时航行体的姿态和航迹偏差进行仿真分析,为航行体实际控制提供控制依据。仿真结果表明:水平舵差动和垂直舵差动对航行体横滚姿态调整能力基本相同,航行体航迹偏差对垂直舵差动敏感。因此建议采用水平舵差动方式来调整航行体横滚,垂直舵只做航向控制。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。