水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

浅水区串联航行体超空泡流动特性研究

为了研究浅水区串联航行体超空泡流动特性,采用VOF多相流模型建立了空气、水、水蒸气的混合相的连续性方程和动量方程,对串联航行体在浅水区形成的超空泡流场进行了数值模拟,研究了水深和航行体间距对超空泡流动的影响。研究结果表明:前后串联航行体在运动过程中均会形成超空泡,且空泡的初始形态、轮廓近似,并在自由面激起先导波浪; 在浅水区,会有上方空气卷入超空泡内,但是随着水深的增加,上方空气不再卷入空泡内; 随着航行体间距的增大,充分发展阶段的超空泡轮廓变得越加平缓,当间距大于5倍的航行体长度时,不同间距下的串联航行体超空泡轮廓无明显差异。     

非定常人工通气超空泡数学仿真与分析

针对人工通气超空泡涉及因素多、时变特性强、实现难度大、成本代价高的复杂工程问题,开展了非定常人工通气超空泡数学仿真研究.根据Logvinovich的空泡截面扩展独立性原理,建立了非定常通气超空泡形态模型,给出了仿真计算方法,对影响超空泡形态的因素进行了动态仿真计算,得到了不同充气参数和运动参数下空泡形态变化规律以及与航行体表面的相对位置关系,提出了满足航行体高速运动稳定的空泡闭合位置要求.研究结果对水下高速航行体的通气系统设计和航行性能设计均具有重要的参考价值,并可为工程应用研究提供理论基础.     

航行体通气超空泡起始与形成实验研究

对不同直径系列的圆盘、圆锥空化器航行体模型通气超空泡的起始与形成机理进行了水洞实验研究.通过实验观察以及对实验结果的深入分析与数值计算,得出结论(1) 稳定、光滑的航行体通气超空泡生成机理是在航行体头部形成低压涡流区,使向该低压区域通入的气体能够留存且压力能够不断升高,以降低该区域的空化数,直至达到起始空化数.(2)空化器与扩张段(锥段)组合是超空泡航行体前段首选的外形.(3)航行体超空泡生成速度取决于中头部雾状空泡阶段,主要应通过空化器、扩张段及通气参数的优化匹配加以解决.     

水下航行体通气空泡溃灭特性研究

通过水洞实验对水下通气航行体通气空泡进行实验研究,分析航行体通气空泡通气停止后空泡行为。为了研究通气空泡溃灭过程的脉动特性,通过高速摄像和动态测力系统测量航行体表面空泡演变过程和压力变化情况。实验结果表明：脱落空泡运动过程中,其形状变化可分为空泡凹陷、空泡断裂、空泡脱落和溃灭4个阶段。脱落空泡在近模型壁面发生溃灭时,通过表面压力传感器捕捉到空泡的溃灭压力。对空泡溃灭压力实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比,理论结果与实验结果具有较好的一致性。     

不同尾部超空泡航行体阻力特性数值模拟研究

为了研究在不同的后体模型情况下，通气超空泡的形态及航行体的形状阻力特性，利用商业CFD软件Fluent6．0，对无后体和四种不同后体模型的航行体进行了通气超空泡数值模拟研究．获得了不同后体模型下，通气超空泡航行体的形状阻力系数变化规律及超空泡形态变化规律，同时获得了速度和通气压力的变化对各种后体模型通气超空泡航行体形状阻力系数及超空泡形态的影响，对开展不同后体模型航行体的通气超空泡试验研究具有指导意义．     

超空泡航行体鲁棒H∞控制研究

超空泡航行体的独特航行环境决定它是一个具有运动学耦合、惯性耦合、控制作用耦合、系统参数不确定性特点的多变量系统。针对超空泡航行体的上述特点，文中开展了对超空泡航行体控制系统的鲁棒控制方法的研究。在超空泡航行体的纵平面内数学模型的基础上，设计了超空泡航行体运动的鲁棒H∞／加权混合灵敏度控制器，并在Matlab／Simulink环境下进行了仿真，仿真结果验证了该鲁棒控制器对超空泡航行体运动控制的有效性和鲁棒性。     

超高速水下航行器航向控制方法

针对超高速水下航行器巡航阶段的超空泡运动特性及其具体运动条件下的特点,考虑发动机推力偏心会造成航向误差,建立了航行器水平面运动方程,分析了其欠阻尼运动特性,提出了基于比例积分算法的极限操舵方式对超高速水下航行器实施航向控制的方法,此类控制方法在确保航向准确性的同时保证了超空泡的稳定性,且简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明该方法的有效性.     

超空泡航行体运动过程流体动力特性试验研究

为分析超空泡航行体运动过程流体动力特性,采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行研究。试验在水池中进行,利用高速摄像机观察超空泡演化过程,通过压力传感器和内测装置分别测量航行体表面压力和流体动力。研究结果表明：在航行体运动过程中,轴向力系数不是一定值,在平均值0.1附近小幅波动,运动后期平均轴向力系数有所增加;在运动初期,法向力系数在0附近小幅波动,随着时间推移,法向力系数呈周期振荡特性,变化周期约为0.055 s;航行体在运动过程中受到重力等因素影响引起扰动,使得姿态产生改变,开始出现尾部振荡,拍动空泡壁;在拍击空泡壁瞬间,压力急剧增加,产生法向力并不断增大,引起的恢复力矩使得航行体尾部向相反方向运动,形成上下周期性拍动空泡壁运动,流场周期性的演变直接导致了法向力系数周期性变化。     

超空泡航行体外形设计及航程分析

航行体形状及长细比等参数对超空泡航行体的阻力特性及运动稳定性有着直接的影响,并最终决定航程大小.基于Fluent6.2中的空泡模型对一定速度范围内的超空泡航行体的两相流流场进行了数值模拟,比较了4种不同外形的超空泡形态及阻力特性,并对其航程进行了分析,为给定初速下航程最大的超空泡航行体外形设计提供了理论依据.     

孔状通气条件下潜射航行体流体动力特性研究

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了孔状通气条件下气—水—汽三相潜射航行体流体动力特性的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气孔数量条件下空泡形态、航行体周向压力分布以及阻力变化情况。结果表明：随着通气孔数量的增加,单个孔形成的空泡尺度减小,空泡整体形态由离散分布逐渐融为一体;迎流面最大压力随通气孔数量增加基本呈减小趋势变化,表面压力沿牵连速度方向分布存在波动现象,并且具有一定的周期性;总阻力系数随通气孔数量增加而减小,通过增加通气孔数量有利于改善航行体的流体动力。     

喷气协助航行体入水空泡流动特性实验研究

为研究向前喷气协助航行体入水通气空泡多相流动特性,开展了喷气协助航行体入水实验。分析了入水过程中射流穿透水面开口空泡的形成及发展,探讨了不同喷气量、入水角度对空泡形态、射流长度等的影响。实验结果表明:在开口空泡形成过程中,自由液面存在不同区域(扰动区、过渡区及空泡形成区)的转变,这些区域的形成与航行体位置有关; 在航行体穿越气液界面之后,射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳,且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。在穿透液面过程中,空泡直径和射流长度均呈减小趋势; 开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长,但受入水角度的影响有限。     

波浪和海流条件下潜射飞行器出水姿态参数研究

在铅垂平面内研究波浪和海流条件下潜射飞行器出水姿态参数确定问题,给出波浪和水流的数学模型,建立铅垂平面内飞行器的水中运动方程,给出确定惯性力、粘性力和浮力的公式,针对某飞行器进行出水过程的仿真计算,结果与理论分析相吻合.     

通气超空泡的形态特性研究

产生满足动力平衡与控制要求的稳定的通气超空泡,是发展高速水下航行体的重要课题.其于N-S议程和有限体积法求解气液两相流,采用VOF法捕捉空泡界面,针对二维航行模型的能气超空泡流动进行了数值模拟,研究了楔形空化器平角、勇气流量及环境压力等物理参数的影响.结果表明,适当的空化器高计、能气流量和环境压力的参数组合,对于产生满足要求的稳定的超空泡外形是至关重要的.     

基于侧喷流直接力技术的运载器姿态控制方法

侧向喷流直接力控制技术已在大气层外动能拦截器和大气层内防空导弹中得到成功应用.运载火箭作为跨大气层飞行器,可以尝试采用该技术进行姿态、轨道控制.介绍了一种由侧向喷流发动机作为姿态控制执行机构的运载器,建立了运载器在大气层外飞行条件下的姿态动力学模型并设计了姿态控制规律.仿真结果表明,在姿控发动机存在安装误差的情况下,所设计的控制规律可以实现对运载器姿态的控制,通过选择控制器参数改变系统的响应特性可以满足迅速、精确、稳定地控制系统的要求.由此可见,采用侧向喷流直接力姿态控制系统能够完成运载器姿态控制任务.     

旋转状态下姿态控制发动机喷流流场的数值模拟

为了对姿态控制发动机在旋转状态时的喷流流场进行数值模拟,并避开复杂的滑移网格技术,将惯性坐标系下的控制方程和数值计算边界条件用弹体旋转坐标系来表达,选用雷诺平均的旋转坐标系下的Navier-Stokes方程,算例计算结果与采用滑移网格技术得到的流场结构相比更接近实测且计算容易收敛,表明这种方法正确且简单可行。数值计算结果表明：在弹体直径以及喷口大小及入口条件一定的前提下,由于旋转引起的喷流流动的非对称性将直接影响到姿态喷流控制力的大小和方向,进而影响到姿态控制发动机的工作效率;随着旋转角速率的增大,推力矢量明显变化,控制推力偏转,使有效揎制推力减小,从而影响远程火箭弹的稳定性和姿态控制精度,并在一定程度上增加了燃气消耗量。     

运动体小扰动下入水空泡试验研究

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。     

弹性高超声速飞行器预设性能精细姿态控制

将反演控制技术、预设性能控制和神经网络相结合,研究设计巡航飞行的高超声速飞行器精细姿态控制器。研究中考虑了高超声速飞行器弹性形变对飞行攻角的影响,引入诱发攻角的概念来刻画气动弹性对飞行器的影响;在考虑弹性的情况下,利用预设性能的设计来满足精细姿态控制的指标要求,同时可以兼顾系统的瞬态性能;利用全局调节动态神经网络在线逼近诱发攻角方程中的未知项,利用Lyapunov稳定性理论得到神经网络权值、中心点和影响范围的自适应调节律,引入鲁棒项来处理神经网络逼近误差的影响,最终设计出考虑气动弹性情况下的高超声速飞行器预设性能精细姿态控制器。通过Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性以及闭环系统所有信号均有界,仿真分析验证了所设计的控制器能够使系统跟踪误差满足预设性能的要求,以此实现姿态精细控制。     

高超飞行器的非线性预测姿态控制

针对高超飞行器姿态动力学模型多约束、多变量耦合和非线性的特点,采用预测控制理论设计了时变自适应控制器.根据奇异摄动理论将复杂的动力学分解为快慢内外环动力学,直接对非线性系统伪线性化建模,把非线性优化问题转化为线性时变系统的次优化;将指标约束、输入约束、稳定约束转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,在线滚动优化求解预测反馈控制律.结果表明,该控制方案保证了闭环系统的稳定性.     

波浪相位对航行体出水过程水动力特性的影响

为了探索波浪与空泡共同作用对潜射航行体出水过程力学特性的影响规律,采用数值方法对不同波浪相位出水条件下航行体水动力与近水面空泡几何特性发展的物理机制进行了研究,获得了相关的流场数据。研究结果表明：出水波浪相位的差异导致近水面流体质点剪切运动的强弱与方向是导致航行体肩空泡空间不对称结构的一个重要因素;出水过程肩部空泡的不对称分布构筑了航行体迎背水面力学载荷的显著差异,从而导致实际发射过程航行体出水姿态的变化,并影响打击目标的精度。