水下推力矢量特性试验研究

本文介绍了固体火箭发动机水下推力矢量特性试验。通过测量固体火箭发动机水下工作过程中的推力和侧向力,研究了扰流片和摆喷管两种推力矢量方式的水下推力矢量特性。对扰流片推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷口堵塞面积比、水深的变化规律。对摆喷管推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷管偏角以及水深的变化规律。     

水下航行体应用鱼类仿生推进技术的试验研究

水下仿生推进技术将是水下航行体推进技术的革命，这种推进方式是仿生学和水下航行体推进结合的产物，突破了传统的螺旋桨推进理论。初步研究了水下航行体仿生推进技术，以及波状摆动推进中C形起动模式使用不同形状尾鳍的流场结构及动力性能。一般可以将尾鳍形状划分为对称与不对称两大类，选择矩形和三角形作为这两类尾鳍的代表，对其进行了流动显示以及力矩和力测量。研究发现，两种尾鳍模型具有截然不同的流场结构：矩形会在翼尖处产生一个主涡环，而三角形会在尖角上下出现两个涡环。不同的尾迹流场结构有着不同的动力学效果。据此对比分析了不同形状的尾鳍在波状摆动推进中各自的优缺点，在此基础上进一步分析了尾鳍形状在实际工程中的应用。     

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.     

水下空泡航行体载荷及推力最大值的最小化问题

研究了带空泡水下航行体在规定距离内从初速加速到预定速度的一维水弹道优化问题,利用变分法求出了水下航行体加速过程中最大推力达到最小的最优弹道理论解,此解也可作为航行体最大载荷达到最小的理论解。     

大推力水下航行器运动偏移特性数学建模

水下航行器在维持深水域航行探测时需要大推力辅助,很容易产生运动偏移,为了提高水下航行器运动偏移特性数据分析的准确度,设计应用数学坐标建模思想,建立航行器偏移特性数学模型。引入地面坐标系和水下局部坐标系,建立整体坐标系概念,将航行器运行轨迹看做静态坐标变换过程,构建2项坐标转换方式,为了简化计算步骤,根据坐标系概念确定当前航行器水下流体微元,在浮力、环境力和重力引导下确定航行器运动方程表达式,依据运动方程表达式建立矢量控制模型,最终根据欧拉角关系速度矢量和偏转特性,解析控制模型,获取最终数据结果。实验数据表明,该分析模型法向阻力系数计算准确度提高了27%,切向阻力系数提高了22%,可以有效提高数据计算的准确度。     

基于 CFD 技术某超大型复杂腔体流场数值研究

为研究复杂腔体内航行体在出筒过程中的燃气流场和腔体内部压力建立情况,采用计算流体力学方法和动网格技术,对航行体出筒过程进行数值模拟。将安置在腔体内的航行体作为运动实体,随着航行体的运动,相应的流场计算边界发生变化。计算过程根据当前时刻喷管内流场及燃气流场计算航行体受力情况,确定航行体在任意计算时刻的运动速度,并由相应的运动边界更新网格,计算新网格下的流场参数分布。计算结果与实验结果符合较好,说明文中方法能够有效地揭示航行体出筒过程中燃气流的动力特性,通过分析这些流动现象,为工程应用提供有意义的参考。     

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。     

水下航行体降噪艉翼填角的数值模拟与试验研究

为降低水下航行体噪声,研究了艉翼填角的降噪效果。分析了水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对某无人水下航行体(UUV)设计了一种艉翼填角,运用CFD方法对该艉翼填角优化螺旋桨伴流场的效果进行了数值模拟,结果显示伴流场轴向速度的周向不均匀度系数下降35%-62%。将艉翼填角应用于该UUV,开展航行辐射噪声测量试验,结果显示艉翼填角使UUV航行噪声总声源级降低3.4 d B,尤其对低频噪声抑制较好。     

二维波状摆动式鱼类自主航行推进性能研究

利用计算流体动力学软件Fluent对二维波状摆动式鱼类自主航行的水动力特性进行了数值模拟.在给定鱼体波动变形方程的基础上,编制实时计算鱼体不同波动参数下鱼体航行速度的程序模块,建立了波状摆动式鱼类自主航行的数值计算模型.研究了不同运动参数下的水动力性能、流场结构及航行速度,结果表明,随着摆动频率及波长的增加,鱼类能够获得更大的推力及自主航行速度.     

推力轴承结构形式对水下航行体振动与声辐射特性影响研究

针对带推力轴承结构的水下航行体,采用有限元与边界元耦合方法,建立水下航行体整艇流固耦合有限元模型以及水中边界元模型,利用ANSYS刚性域功能建立全舱壁式和半舱壁式两种推力轴承结构形式,计算他们所引起的整艇振动与声辐射特性,并且比较分析他们之间的差异.研究表明,全舱壁式推力轴承结构相比半舱壁式推力轴承结构有一定减振降噪效果.     

作业型ROV矢量推进建模及推力分配方法

为了研究矢量推进遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)的推力分配方法,根据总体结构中推进器的空间分布关系,推导出推进器推力和作用于ROV本体上合推力之间的关系,进而建立了一种过驱动ROV矢量推进系统的数学模型。在Matlab中构建了ROV运动控制的仿真模型,通过直接推力分配法验证了目标ROV矢量推进系统数学模型的准确性。提出了一种将六自由度控制量归一化和伪逆法结合使用的综合推力分配方法,通过仿真验证了该方法可有效解决直接伪逆法出现的推进器饱和问题,可直接应用于解决矢量推进水下机器人运动控制的工程问题。     

多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析

传统水下航行器控制模型分析算法缺少对矢量动力参数的模型分析计算逻辑,因此造成控制模型分组参量关系分析不足,导致水下航行器控制动力输出量出现偏差的问题。因此,提出多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析。通过引入非线性适量运动算法,对水下航行器矢量推进下的运动进行数学模型建立分析;得到运动参数后,引入动力分组控制算法,根据计算得到的运动参数,对水下航行器进行深度分组控制模型的建立计算,从而得到准确的控制参量。最后,通过设计的仿真实验对上述分析结果进行准确性验证,证明提出方法的可行性。     

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。     

水下点火推进尾空泡振荡的研究

本文通过对水下航行体垂直发射出筒后尾空泡内点火推进过程的数值模拟研究,获得了其尾空泡演化的一般规律,并与相应的试验结果进行了对比;进而给出了燃气尾空泡周期性地膨胀、颈缩、阻滞、脱落的演化规律,以及与尾空泡内的压力振荡、喷管扩张段内激波前后移动的相关性。研究表明:水下航行体尾空泡内点火与空中点火、水中直接点火形成的燃气射流存在明显差别,水下点火推进同时会形成对水下航行体额外的振动激励;尾空泡收缩阶段,亚音速射流在尾空泡颈缩处膨胀加速,使尾空泡持续颈缩进而形成对燃气的阻滞作用,是形成尾空泡近似周期性形态演化、空泡压力剧烈振荡的主因。     

基于集成式推进系统的水下航行体减振降噪研究方向探讨

对水下航行体集成式推进系统特点进行了阐述。探讨了针对降噪设计应开展的低噪声水密永磁电机研究、低噪声推进器研究、螺旋桨伴流场优化、艇体通道特性研究等具体方向。以控制航行体噪声技术状态为目的,提出了状态评价方法的若干研究思路。     

内波作用下水下航行体应急上浮的运动及水动力数值模拟研究

海洋内波是边缘海普遍存在的现象，非线性内波尤其是大振幅的内孤立波对于水下航行体的安全航行具有重要影响。本文首先采用RANS方法结合运动控制方程，开展内波作用下的水下航行体自由运动过程数值模拟及分析，结果显示，在不采取主动操控措施的情况下，水下航行体被内波快速拖入波谷。然后对该耦合运动过程开展详细分析。在此基础上采用数值计算方法重点研究遭遇内波后实施紧急操控后的应急上浮运动，详细分析该过程的运动及流场特征，并进行理论对比分析。     

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.     

基于数值计算方法的矢量合成射流激励器推力特性研究

合成射流激励器具有体积小、质量轻、结构简单、对流体外形影响小等优点,非常适合用于水下机器人的驱动及姿态调节。文章设计了一种矢量合成射流激励器,该激励器的出口是柔性的,采用线驱动方式实现出口偏转角度的连续调节,进而实现推力的矢量控制。建立了用于控制激励器出口偏转角度的数学模型,以及激励器作用力的数学模型。采用有限体积法对该矢量合成射流激励器在不同偏转角度下的流场进行了数值计算,流场设定为三维、粘性、非定常和不可压流场,给出了不同偏转角度下激励器在各个方向上的作用力变化曲线。通过对作用力的计算结果进行分析发现,合成射流的推力比相同质量流量下稳态射流的推力提高50%。另外,还发现激励器各方向作用力的合力基本不随偏角发生改变。结合文中建立的激励器作用力数学模型进行分析,可知合成射流的推力增强效应主要是由激励器外部流体的阻滞作用引起的。     

矢量推进方式下的自主式水下航行器纵向运动操纵性分析

提出一种针对无人自主式水下航行器的新型操纵方式--矢量推进方式;建立矢量推进方式下无人自主式水下航行器纵向运动方程.对矢量推进方式和普通推进方式下的水下航行器的操纵性进行对比性的操纵性仿真计算,计算结果表明,矢量推进方式可以满足水下航行器的操纵性要求.     

超空泡航行体尾部滑行力实验研究

超空泡航行体尾部沾湿滑行水动力对其水下运动特性具有重要影响。本文建立了圆柱后体在空泡内动态摆动滑行力水洞实验方法,开展了圆柱后体静态不同攻角和动态不同摆动角速度滑行水动力测量实验,获得了不同工况下滑行面几何特性和滑行力特性,并基于实验数据提出了滑行升力估算的经验公式。与理论公式比较表明,滑行力随浸没角、浸没深度变化的规律一致,Hassan模型预估值比实验值大,Paryshev模型预估值比Hassan模型更大些。