大深度潜器潜浮运动的建模与仿真

大深度潜器潜浮运动是一种超大攻角运动,它无法用常规水中物体的运动数学模型描述.文章给出了一种新型数学模型来描述这种大深度潜器的潜浮运动,并论述了结合现代仿真技术的应用,使潜水器所受流体动力的数学描述变得便捷、可行.此外,文中还研究了在大深度环境下,潜器潜浮运动时,潜器所受浮力和重力随深度变化的数学描述.上述理论已应用于有关潜器潜浮运动系统的设计.     

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。     

全海深潜水器水动力学研究最新进展

随着科学技术的进步,人类开始把目光投向了被称为深渊区的6500米以下的海沟。上海海洋大学深渊科学与技术研究中心(HAST)提出建造一个由3个11000米着陆器、1个11000米复合型无人深潜器和1个11000米载人深潜器组成的全海深的深渊科学技术流动实验室。对于潜水器而言,随着下潜深度的进一步增加,水动力学科将发挥更加关键的作用,如何实现快速、稳定的潜浮运动是全海深无人和载人潜水器开发过程中所需解决的关键问题之一。论文对世界范围内现有的三艘全海深载人潜水器和一艘全海深复合型无人深潜器进行论述,总结全海深潜水器开发中水动力学最新发展趋势,重点探讨潜浮运动和水动力外形优化领域的最新进展。针对HAST正在开发的全海深载人潜水器,提出了水动力学研究和设计方面的初步设想。     

深水潜器运动的非解析式数学模型

潜水器通常以大攻角或超大攻角运动,以往的数学模型无法准确描述其运动情况。根据这一情况,提出了一种新型数学模型来描述其运动。数学模型中的流体动力项无须用解析式表示,而是用试验所得数据直接表示。这种模型可称之为"非解析式数学模型",以区别以往以解析式表示的数学模型。论述了上述数学模型计算机仿真的实现。还对潜水器所受的浮力、重力因海水密度的变化而变化进行了非解析式数学描述。这类非解析式数学模型适用于描述潜水器任意攻角的运动。     

潜水器大攻角范围内运动的仿真

对于只靠剩余浮力(含负浮力)作用的潜水器垂直面内下潜、上浮运动,将会出现攻角α在±120.内变化.此时进行运动性能研究,潜水器所受流体动力无法用传统的多项式表达方式表示.本文提出了直接利用流体动力试验结果,无需将其用多项式数学描述,借助于MATLAB/Simulink仿真技术,可方便地进行潜水器运动的仿真.     

全海深载人潜水器下潜运动型线优化

以某全海深载人潜水器为研究对象,以其下潜运动为例开展阻力数值模拟和试验验证。通过计算域和网格敏感性分析,采用不同湍流模型进行对比研究,并与模型拖曳试验结果进行比较,获得该潜水器的下潜运动计算模型。在确定了数值计算方法后,采用试验设计、近似模型和全局优化算法等方法对潜水器艉部型线进行优化,结果表明该方法可有效降低潜水器的下潜阻力,从而达到缩短潜浮运动时间的目的,研究成果对于该潜水器及类似潜水器的工程研制具有一定指导意义。     

共翼型舵特性及其对潜艇潜浮运动影响研究

共翼型舵是一种新型的潜艇组合舵翼操纵面.文章首先通过水洞试验和CFD计算对共翼型舵的敞水水动力性能进行了研究,结果表明,共翼型舵的舵效随弦长比和展弦比增大,封堵舵翼之间的间隙可以显著提高舵的水动力性能.随后通过CFD计算对比了分别安装有普通舵、共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇的潜浮运动,结果显示,5°舵角时,安装共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇模型潜浮角分别比安装普通舵的模型提高65％和105％左右.     

蛟龙号载人潜水器无动力潜浮运动分析系统开发

在“蛟龙”号载人潜水器5 000米级海试中,D44潜次首次实现了全程无动力上浮下潜运动,为改进载人潜器无动力上浮下潜运动模型提供了宝贵的数据.文章对D44潜次的数据进行了分析,在此基础上引入可变体积收缩率的概念来改进潜器无动力上浮下潜运动模型,开发出了更为可靠的“蛟龙”号载人潜水器的无动力潜浮运动分析系统,为7 000米级海试以及今后的应用提供可靠的手段.     

载人潜水器艇型及框架结构研究

针对一型潜深1 500 m的载人潜水器,在选取了参考艇型的基础上,完成了主体艇型及框架结构的设计,在水平循环水槽、综合试验水池分别进行了模型的直航和潜浮阻力试验,得到了相应的试验结果。确定了框架结构强度分析的关键要素,完成了框架结构的强度校核,对于框架结构的应力分布情况进行分析。结果表明:目标载人潜水器的前进阻力大于后退阻力,上浮阻力大于下潜阻力,框架结构还有一定优化余地。     

球形底栖潜水器概念设计研究

提出了一种能长期在深海自主机动的底栖型潜水器(UBV)概念。有别于传统的水下航行器,底栖型潜水器采用嵌套球体作为基本构型,在球体左右两侧设置流线型观测附体。该潜水器可依靠内部机构改变其重心位置,驱动潜水器在海底连续滚进,还可实现在水中的直航、转向和潜浮,提高了海底环境监测和海床监控能力。     

水滴型回转体带尾导管的水动力特性研究

过去在鱼雷型回转体上加尾导管的操纵性模型试验研究表明，尾导管使回转体的静稳定性显著降低，而DARPA的SUBOFF模型试验结果却显示，潜艇类回转体(主体)加尾导管(尾附件)对回转体的静稳定性没有不利的影响，而且还提高了回转体的运动稳定性。本文通过模型试验对水滴型回转体加尾导管的静稳定性以及导管的水动力特性进行了精细的研究，同时，结合CFD工具对回转体绕流进行的机理分析，得出了尾导管对主体静稳定性影响的基本结论：在有攻角的情况下，主体近表面的绕流特性主要由势伴流控制，当导管尺寸相对比较小时，尾导管的实际有效来流攻角与名义来流攻角符号相反，而产生不稳定的力矩，导致主体静稳定性反而下降。     

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.     

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。     

Finite-volume simulation of flows about a ship in maneuvering motion

A finite-volume method of computing the viscous flow field about a ship in maneuvering motion was developed. The time-dependent Navier-Stokes equation discretized in the generalized boundary-fitted curvilinear coordinate system is solved numerically. A third-order upwind differencing scheme, a marker and cell (MAC)-type explicit time marching solution algorithm and a simplified subgrid scale (SGS) turbulence model are adopted. The simulation method is formulated, including the movement of a computational grid fitted to the body boundary that allows computation of the flow field around a body under unsteady motion. To estimate the maneuvering ability of a ship, the accurate prediction of the hydrodynamic forces and moments of the hull is important. Therefore, experimental methods of finding the hydrodynamic forces of a ship in maneuvering motion, such as the oblique towing test, the circular motion test (CMT) and planar motion mechanism (PMM) test, were established. Numerical simulation methods for those captive model experiments were developed introducing computational fluid dynamics (CFD). First, numerical methods for steady oblique tow and steady turn simulation were developed and then extended to unsteady forced motion. Simulations were conducted about several realistic hulls, and the results were verified by comparisons with measured results obtained in model experiments. Hydrodynamic forces and the moment, the longitudinal distribution of the hydrodynamic lateral force, and the pressure distribution on the hull surface showed good agreement.     

基于B样条的三维船体水动力数值计算

本文采用基于B样条的一种新的数值方法计算三维船体水动力，用B样条函数表达三维船体表面的几何形状以及流场中未知物理量的分布，为了验证该数值方法的可行性和精确度首先对处于无限流体域中的圆球体绕流问题进行了计算；其次计算了由ITTC所推荐的Wigley船型的兴波阻力以及以一攻角斜航时的操纵水动力；最后在一些假设下对两船作平行航行时的干扰水动力作了相应计算工作。数值计算结果与其它试验或理论结果在定量或定性上吻合良好。     

Black-box modeling of ship manoeuvring motion based on feed-forward neural network with Chebyshev orthogonal basis function

Based on polynomial interpolation and approximation theory, a novel feed-forward neural network, the feed-forward neural network with Chebyshev orthogonal basis function, is proposed for black-box modeling of ship manoeuvring motion. The neural model adopts a three-layer structure, in which the hidden layer neurons are activated by a group of Chebyshev orthogonal polynomial activation functions and the other two layers’ neurons use identity mapping as activation functions. Weight update formulas are derived by employing the standard back-propagation (BP) training method. With the simulated 15º/15º zigzag test data as input and calculated values of the hydrodynamic forces and moment as output, the feed-forward neural network with Chebyshev orthogonal basis function and the BP neural network are applied to identify the nonlinear functions in the nonlinear hydrodynamic model of ship manoeuvring motion. With the simulated 20º/20º zigzag test data and 35º turning test data as input, the hydrodynamic forces and moment are predicted by using the identified nonlinear functions. Comparison between the calculated and predicted hydrodynamic forces and moment shows that the feed-forward neural network with Chebyshev orthogonal basis function is superior to the BP neural network in identifying the nonlinear functions of the nonlinear hydrodynamic model of ship manoeuvring motion and is an effective method to conduct the black-box modeling of ship manoeuvring motion.     

基于多目标遗传算法的潜器外形优化设计

计算流体力学软件应用于潜水器外形优化设计时,精度虽高,但效率低下。因此研究了试验设计和响应面模型技术,提出了一个潜水器外形优化设计的策略。其基本思想是:首先应用Gambit软件的日志文件建立起水动力分析模型,然后根据设计要求选取设计变量,用试验设计的方法在设计变量空间里选取样本点并进行阻力性能计算,得到各样本点的响应,并建立阻力、包络体积的二阶多项式模型响应面模型。潜水器设计时需要考虑能源与设备布置要求,因此将阻力与体积作为艇型优化的两个目标,研究了多目标遗传算法,并给出了Pareto最优解集。结果表明,文中采用近似模型的艇型优化过程,不但效率得到提高,精度也能得到保证,而且由CFD结果建立的阻力估算公式可以为后续设计带来很高的参考价值。     

潜艇操纵性水动力数值计算中湍流模式的比较与运用

湍流模式的选取对潜艇操纵性水动力数值计算精度有着重要影响,采用六种湍流模式计算了SUBOFF主艇体及主艇体加指挥室围壳两种模型在一定漂角范围内的潜艇操纵性水动力,并与试验值进行了比较,结果表明SSTk-ω模型更为适合潜艇操纵性水动力计算。在此基础上对SUBOFF全附体模型在一定漂角和攻角范围内的艇体水动力进行预报计算,并对该计算方法应用于潜艇操纵性水动力预报计算的计算精度与适用范围进行了探讨。     

Influence of seabed sand wave on hydrodynamic performance of submersible北大核心CSCD

[目的]研究潜器在海底沙波地形干扰下的水动力特性。[方法]基于计算流体力学(CFD)方法,使用STAR-CCM+软件并结合重叠网格方法对潜器经过海底沙波的过程进行模拟,计算潜器阻力系数和升力系数在此过程中的变化。[结果]结果表明,当潜器近海底航行时,沙波地形会对潜器产生一定的干扰,当艏部运动至波峰附近时,负升力出现最大值,当艉部运动至波峰附近时,阻力出现最大值;在不同航速下,潜器表面压力分布规律的不同会导致升力系数的变化规律不同;随着近海底距离的减小,海底沙波对潜器阻力和升力变化影响显著,当H/D>5时,海底沙波对潜器阻力和升力的影响可以忽略。[结论]所做研究可为潜器的安全及操纵性能提供一定的参考。