航行体头型对气泡附着影响的数值研究

水下航行体穿越水中膨胀气泡时,气泡在一定条件下有可能附着在航行体上形成附着空泡,从而改变航行体水动力性能,为此开展了头型因素对气团附着空泡影响的数值研究。利用数值模拟方法计算了四种头型航行体穿越膨胀气团的过程,结果发现头型是影响气泡附着的重要因素:对于分离角较大的钝头型,气泡容易附着在航行体上形成附着空泡;对于分离角较小的细长头型,气泡受到扰动后就很快与航行体分离而不会附着。     

水下航行器动力系统装配质量量化评估及优化

水下航行器电动力系统的装配质量优化问题是一个包含多变量和多约束的多目标优化问题,为了提高水下航行器动力系统装配质量,提出一种基于粒子群进化寻优的装配质量量化评估及优化方法。分析水下航行器动力系统的结构组成,并对电磁力、功率损耗和效率等相关参数解算。以水下航行器电动力系统的材料成本、装配效率、功率损耗、性能以及体积/重量等参量为约束指标,采用支持向量机模型进行动力系统装配质量指标参数自适应量化特征分解,构建装配质量优化的控制目标函数,采用粒子群进化寻优方法进行目标函数的最优解求解,提高了整个水下航行器动力系统装配质量评估和全局稳定性。仿真结果表明,采用该方法进行水下航行器动力系统装配质量量化评估的准确性较高,全局收敛性较好,实现状态过程质量优化预测,改善了系统装配质量。     

内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。     

任意路径航行的水下航行器回波特征研究

本文阐述基于频域间接法的板块元基本原理,建立水下航行器三维网格模型,提出以任意路径运动的水下航行器回波特征预报方法。通过开展1∶20缩比的Benchmark潜艇回波特性水下声散射试验,验证了上述预报方法的准确性。研究表明,预报方法能够预测水下航行器以任意路径航行的回波特征,对水下运动目标的探测与识别有一定意义。     

敷设声学覆盖层的水下航行体低频目标强度分析

水下航行体常采用声学覆盖层降低自身的目标强度,提高隐蔽性。采用耦合有限元方法,分析敷设声学覆盖层的水下航行体的低频目标强度。分别计算了艏部方向和正横方向入射的双壳体标准潜艇模型的目标强度,其中外壳和内壳均敷设声学覆盖层,并且和未敷设声学覆盖层的模型进行对比分析。结果表明,对于艏部方向,声学覆盖层能明显降低目标强度;而对于正横方向,声学覆盖层不能有效降低目标强度。此外,声学覆盖层除了能降低目标强度外,还会改变目标强度的起伏特性。     

航行体水下排气的热特征及影响因素分析

针对航行体水下排气热暴露问题,用Euler-Lagrange方法建立了数理计算模型,采用计算流体力学与计算传热学方法进行数值模拟,研究了航行体水下排气时的排气温度、航行速度、排气流量和海水温度等因素对海面热特征的影响。分析表明,降低航行体排气流量、提高航行速度、降低排气温度,均有利于降低航行体水下运动时的热特征,环境海水温度的变化对海面热特征的影响不大。     

海底、海面对水下航行体阻力影响的模型试验研究

文章针对水下航行体开展了不同距离的近海底、近海面的模型阻力试验研究,建立了模型试验及分析方法,获得了海底和海面对阻力的影响规律。模型试验表明:采用低速浅浸深试验方法完全可以达到分离近海面、近海底影响的试验目的;仅有自由表面影响存在时,当水下航行体航行在大于其艇长1/3的深度上时,在实际中可认为没有兴波阻力;仅考虑海底壁面影响,当水下航行体航行在距海底超过其1/4倍艇长的距离时就可以不再考虑海底的影响;同时存在自由表面和海底壁面影响时,要完全避免限制水域的干扰需要水下航行体潜深超过1/3倍艇长的同时,水下航行体距海底的距离不宜小于1/2倍的艇长。     

水下航行器组合导航蔽障控制器的设计与实现

为了提高水下航行器的蔽障性能,进行组合导航蔽障控制器优化设计。针对水下航行器导航中容易出现横滚误差的问题,提出一种基于横滚小扰动误差补偿的组合导航蔽障控制算法,构建水下航行器组合导航蔽障控制对象模型,进行控制约束参量分析,设计组合导航蔽障的运动方程和控制目标函数,采用小扰动误差补偿方法进行横滚误差抑制,提高控制精度,在纵向运动的弹道模型下实现控制器的优化设计。仿真结果表明,采用该控制方法进行水下航行器组合导航蔽障控制的误差较小,收敛性和鲁棒性较好,性能优越。     

主动自导水下航行器的高分辨宽带信号检测技术

为了提高主动自导水下航行器对目标的识别能力,提出一种基于自小波变换的主动自导水下航行器的高分辨宽带信号检测技术,构建主动自导水下航行器的回波信号模型,在海水混响干扰下采用自相关匹配滤波器进行信号滤波处理,对滤波输出的宽带信号采用自小波变换进行时频分解,对水下航行器的回波探测信号作WVD-Hough变换,采用二维谱峰搜索方法实现高分辨的目标信号检测。仿真结果表明,采用该方法进行主动自导水下航行器的宽带信号检测的准确检测概率较高,抗旁瓣干扰能力较强,对打击目标的具有高分辨识别能力。     

基于Kriging代理模型的水下目标模型几何参数识别方法

[目的]水下目标参数识别可为目标分类识别提供依据,为此,提出一种基于Kriging代理模型的水下目标参数识别方法。[方法]首先,对敷设声学覆盖层的水下目标模型在螺旋桨和主辅机激励情况下的结构表面低频振动声辐射与声辐射灵敏度进行分析;然后,基于分析结果建立低频声辐射功率代理模型,并基于该代理模型构造由低频声辐射响应特征和目标参数组成的样本空间;最后,基于所构建的样本空间,建立目标参数识别代理模型并选取测试点进行模型验证。[结果]结果显示,测试样本的实际目标参数值与所构建代理模型的目标参数预测值吻合良好;利用有限元法和边界元方法可以实现考虑阻尼材料频变特性的黏弹性阻尼结构的低频声辐射分析,并能解决商业软件无法大批量处理振动结果文件的问题;影响水下目标模型低频振动声辐射的主要目标参数为目标长度、最大半径、基层壳厚度和声学覆盖层厚度。[结论]基于Kriging代理模型的水下目标参数识别方法可以通过声辐射线谱特征准确预测水下目标模型的主要目标参数值。     

翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析

为了提高水下滑翔机的水动力性能,本文将航空航天领域先进的翼身融合布局引入到水下滑翔机外形设计中,并对其水动力性能进行研究与分析。首先,对比3种具有代表性的水下滑翔机常用壳体形状的几何参数,选用扁平椭球体作为翼身融合水下滑翔机壳体的基本形状;在此基础上,设计出翼身融合水下滑翔机的三维模型;最后,采用计算流体力学（ CFD）的方法对翼身融合水下滑翔机进行仿真模拟并分析其水动力性能,结果表明,采用翼身融合布局的水下滑翔机,其水动力性能得到显著提高。     

Design of the lines of underwater vehicles based on collaborative optimization

A generalized collaborative optimization (CO) framework is proposed to the optimization design of the lines of an underwater vehicle. The resistance and maneuvering performances are concerned about and taken as the optimization objectives in the optimization framework. The resistance, lateral force and yaw moment are calculated by RANS method. To improve the optimization efficiency, an automatic integration optimization platform is constructed in which a surrogate model is adopted. A SUBOFF model is taken as the verification model. The optimal results demonstrate the validity of the optimization strategy proposed.     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

水下拖缆稳态平衡位形的确定计算

本文建立了水下拖缆稳态平衡方程，选用了前人研究的流体动力系数经验公式，讨论了平衡位形的解法，编制了平衡位形计算程序，计算了平衡位形和张力分布，提供了确定水下拖缆稳态平衡位形的计算方法。     

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。     

剪切流对水平轴潮流能水轮机水动力性能影响

为了研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷特性,本文基于CFD方法,建立剪切流模型,计算了剪切流下水平轴水轮机的水动力载荷,并分析得出剪切率对水动力载荷的影响规律。结果表明：剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除弯矩系数的波动频率和叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均是叶轮旋转频率的2倍,且剪切率越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增加,而侧向力系数波动幅值先增加再减小,在最优速比左右达到最大值。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供依据。     

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.     

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.     

肥大型船模操纵性水动力CFD预报的试验验证分析

肥大型船操纵性水动力的预报不仅是肥大型船操纵性设计多方案选型及优化的基础,而且是水面船操纵性水动力预报中的难点.文章探讨了CFD在肥大型船操纵性水动力预报方面的应用能力和预报精度,并进行了系列模型的CFD计算与验证分析,结果表明所建立的肥大型船操纵性水动力CFD数值预报方法具有良好的精度和普适性.