数值计算复杂外形物体附加质量的新方法

当物体加速运动时,会带动周围流体一起运动,此时产生的流体惯性力可由附加质量来表示.目前计算复杂外形物体的附加质量方法并不多,且存在精度不高和计算复杂等问题.文中运用Fluent商用计算软件得到了数值计算复杂外形物体附加质量的新方法.此方法是利用Fluent无粘流模型以及动网格技术,数值模拟物体的匀变速运动,并得到其所受的合力,然后根据其受力方程得到物体六自由度运动情况下的附加质量.通过与其它计算附加质量的方法进行比较,证明了此方法具有较高精度和使用方便等特点.文中还运用此方法计算r带尾翼LOTIE飞艇的附加质量,用以在数值分析其运动时使用. 运动,此时产生的流体惯性力可由附加质量来表示.目前计算复杂外肜物体的附加质量方法并不多,且存在精度不高和计算复杂等问题.文中运用Fluent商用计算软件得到了数值计算复杂外形物体附加质量的新方法.此方法是利用Fluent无粘流模型以及动网格技术,数值模拟物体的匀变速运动,并得到其所受的合力,然后根据其受力方程得到物体六自由度运动情况下的附加质量.通过与其它计算附加质量的方法进行比较,证明了此方法具有较高精度和使用方便等特点.文中还运用此方法计算r带尾翼LOTIE飞艇的附加 量     

一种新型的超空泡航行器流体动力布局

超高速水下航行器运行于巡航阶段,为减小其阻力,减小航行器的沾湿部分,会使得横滚运动的阻尼变小,加大横滚通道的控制难度.针对航行器的静稳定特性,采用艏部空化器作为俯仰和偏航运动的操纵面.由于横滚干扰力矩主要来源于航行器机动时产生的离心力,采用不对称方向舵的方式来消除横滚干扰力矩.复合抗横滚控制舵片形成方向舵的上下不平衡,同时还作为横滚控制的操纵面.采用流体动力布局形式完全摒弃了尾部安定面和操纵面,明显减小航行器航行阻力,降低横滚控制舵机的功率要求,有利于机构的小型化.同时放宽了对超空泡外形和人工通气量的准确度要求,方便了超高速水下航行器的工程实现.     

机动超空泡水下航行器纵平面运动特性分析

超空泡水下航行器机动运动由于有空泡的时间延迟效应和重力效应的存在,使得航行器与直航超空泡航行器的运动特性有很大的不同;进行纵平面运动分析,是对航行器实施深度控制和姿态控制的前提;考虑时间延迟效应和重力效应引起的空泡轴变形,建立超空泡航行器机动航行纵平面运动模型,推导纵平面运动传递函数,并以某小口径(约200mm)超空泡水下航行器的特征参数为例分析其运动特性;纵平面运动特性分析为超空泡水下航行器机动运动的系统设计和控制提供了重要参考。     

仿生扑翼UUV流体动力数值计算

仿生扑翼推进方式具有机动灵活、推进噪声低、稳定性好等特点,但由于外形的复杂性,仿生扑翼UUV的流体动力具有很强的非线性,给流体动力特性的研究带来难度。为了研究仿生扑翼的非线性流体动力特性,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用RNG k-ε模型,建立了仿生扑翼UUV的流体动力计算数学模型,并利用ICEM CFD划分了网格,基于标准CFD软件Fluent对UUV的流体动力特性进行了仿真计算。结果表明,仿生扑翼UUV的流体动力在小攻角下呈线性变化,大攻角下出现非线性特征。     

湍流模型和网格分布对水下航行体回转水动力数值计算的影响

针对水下航行体安全操纵设计的关键环节水动力预报,用FLUENT求解不可压缩RANS方程,采用定常旋转运动坐标系,运用相对运动理论和运动叠加原理,计算RNG k-ε,可实现k-ε和SST k-ε等3种湍流模型以及不同网格分布对水下航行体做单平面回转运动所受垂向力和纵倾力矩,并与试验结果比较.结果表明在Re=11.7×106条件下,垂向力和纵倾力矩预报精度较高.该数值预报方法可行、有效,具有较好的工程实用价值.     

超空泡航行体的自适应模糊滑模控制研究

针对超空泡航行体动态中的非线性项和未建模动态,以及由空泡形状改变引起的扰动问题,提出了一种基于自适应模糊滑模的纵平面运动控制器设计方法。该方法利用自适应模糊系统逼近超空泡航行体模型中的非线性不确定项;利用滑模控制对干扰的鲁棒性,克服逼近误差和干扰;最后用Lyapunov定理证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,设计的控制器可有效克服滑行力的计算误差以及水动力参数的不确定性。     

基于自适应RBF神经网络的超空泡航行体反演控制

针对超空泡航行体姿轨控制普遍存在的模型不确定性问题进行相关研究.为此, 首先对其动力学特性进行分析, 并建立了超空泡航行体的动力学名义模型, 随后将其改写为不确定反馈系统, 然后利用反演控制方法设计超空泡航行体姿轨控制器, 针对模型中的未知函数利用径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络进行逼近并补偿, 由基于Lyapunov稳定理论设计的自适应方法计算神经网络的权重, 并给出稳定性证明.仿真研究验证了控制器设计的有效性.     

基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大,主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动.对于此类多输入多输出的复杂非线性系统,利用传统反步法控制器设计思想,将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制.为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿,本文设计了线性扩张状态观测器(LESO),将扰动估计值与控制器设计相结合,使用Lyapunov方法分析系统稳定性.最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性,以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.     

平流层飞艇的附加质量及其对飞艇运动的影响

采用Hess-Sm ith方法对三维物体在流体中运动时的速度势进行数值计算,并用球体的理论值与之比较,验证了程序的正确性,在此基础上编写附加质量的计算程序,并与椭球的理论值进行比较,验证了该程序的可靠性。通过建立飞艇六自由度运动方程,利用不同的附加质量值计算飞艇的运动,得到了不同的运动参数值,依此判断附加质量值对飞艇运动有较大影响,不能随意假设。通过对飞艇运动状态参数的分析,指出飞艇在无控状态下是不稳定的,因此需要采用控制。     

流场中沿轴向运动圆柱的附加质量计算

分别计算理想流体和黏性流体中沿轴向运动圆柱的附加质量.基于相对运动原理得出在无限流体域中不同长细比圆柱的附加质量,验证附加质量与流体黏性无关的这一结论,并发现长细比越大,附加质量因数越小.利用动网格技术的数值模拟结果表明:圆管中沿轴向运动圆柱的附加质量随管径比减小而增大,且流体的流动形态会对物体的附加质量产生一定的影响.以长细比和管径比为参数给出无限和有限流体域中圆柱附加质量与相应参变量的拟合函数.     

扑翼的非定常水动力特性数值研究

研究水下推进装置结构优化设计问题,建立了扑翼的简谐运动模型,根据有限体积法和非结构动网格技术,完成了对扑翼运动的非定常建模研究.通过计算得到了扑翼运动的水动力特性及流场的变化规律,提出了扑翼产生的涡的特点及其作用机制.计算结果表明:在简谐运动驱动下,扑翼运动能产生较大的推力,而产生的升力较小;扑翼运动过程中伴随着涡的生成和脱离,尾涡能有效地提高扑翼产生的推力,前沿涡能抑制推力的产生和延缓升力的下降趋势.以上研究为水下推进装置优化设计提供了参考依据.     

基于二次误差测度的车身网格简化算法研究

在车身逆向设计中,点云数据预处理后形成的拓扑网格数据庞大,导入三维软件中进行处理时,对计算机显示、分析、存储、传输等造成很大负担。该文研究了车身曲面重构过程中基于二次误差测度的边折叠网格简化算法。该算法将点到相关平面距离的平方和作为误差测度,进行多次选择性边折叠,实现网格有效简化。采用VC++6.0编程实现了该算法,实验表明, 算法稳定可靠, 效率较高,简化效果好。     

水下柱体近壁过程数值仿真研究

水下物体在近壁运动过程当中会受到壁面的流体动力干扰作用,在流体动力计算中必须加以考虑。基于非结构动网格技术,采用有限体积法,在不同的Re数下,对圆柱近壁面过程进行二维数值仿真,得到了不同间隙比(e=h/Dc)下流体动力变化规律及速度场压力场的流场细节。仿真结果表明在间隙比(e=h/Dc)较大时,圆柱受壁面影响较小,受力大小与无界流场中圆柱绕流受力接近;在间隙比较小时,圆柱受壁面干扰作用较明显,并且在靠近壁面时其两侧涡结构会往上移动。仿真结果在远壁面时与试验值接近,并且与势流理论所得结论吻合,为进一步计算更加复杂的流体动力干扰提供快捷可信的方法。     

二维水翼超空化状态下流体动力特性数值仿真

基于均匀多相流假设,建立了二维水翼自然超空化流动的多相流CFD模型。运用Navier—Stokes方程加k-ε两方程湍流模型对NACA0012水翼的超空化流动进行了数值仿真。分别研究了固定空化数和固定攻角时,超空化状态下水翼的流体动力参数的特性和空泡形态的变化。仿真结果表明：水翼表面流体动力系数随来流攻角和空化数的增大而增大,压力中心沿弦向和展向的位置随着攻角变化,空泡尺寸随空化数的增大而减小,整个流场的流动可分为两个区域,前部对应附着空泡区,后部对应汽液两相流动区,并改进了性能,对速度梯度有较大的改善。     

The Local Artificial Boundary Conditions for Numerical Simulations of the Flow Around a Submerged Body

We consider in this work the numerical approximations of the two-dimensional steady potential flow around a body moving in a liquid of finite constant depth at constant speed and distance below a free surface. Several vertical segments are introduced as the upstream and the downstream artificial boundaries, where a sequence of high-order local artificial boundary conditions are proposed. Then the original problem is solved in a finite computational domain, which is equivalent to a variational problem. The numerical approximations for the original problem are obtained by solving the variational problem with the finite element method. The numerical examples show that the artificial boundary conditions given in this work are very effective.