水下航行体超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性

针对航行体水下垂直发射过程,利用固体火箭发动机在尾空泡内点火实现有控运动,是保证复杂因素干扰下航行体弹道稳定的重要手段。基于流体体积模型、标准k-ε湍流模型和动网格技术,通过求解雷诺时均Navier-Stokes方程,获得超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性及其演化规律。结果表明：航行体出筒后形成的半椭球状附体尾空泡,在超声速射流作用下逐渐演变成葫芦状,其内部流动受到破坏后进行重构,没有形成回射流现象;超声速射流完全受限在尾空泡内发展,射流流动主要位于径向尺寸和喷管出口直径相当的核心区内,在射流卷吸作用和空泡界面影响下,尾空泡内相继出现了一次涡环和二次涡环结构;航行体尾部与筒口中心位置压力呈现宽幅振荡特征,最大振幅约为发射水深压力的1.2倍,致使射流结构和航行体受到的实际总推力出现大幅度振荡变化。     

精密水槽收缩段流场模拟与收缩曲线选型评估

通过求解RANS方程,数值模拟了精密水槽收缩段的流场特性。针对两种不同出口尺寸不同收缩比的收缩段,选取了三种不同的收缩曲线来进行选型评估。根据壁面是否分离、逆压梯度变化缓和程度、出口速度均匀度,来判断不同收缩曲线的优劣。研究表明:对于出口尺寸为250 mm×20 mm、收缩比为30的收缩段,双三次收缩曲线是最优的;对于出口尺寸为250 mm×10 mm、收缩比为60的收缩段,维氏收缩曲线是最优的。本次数值模拟计算的工作可为精密水槽收缩段优化设计工作提供借鉴。     

约束条件下基于满意模型预测控制的动基座水下无人航行器对接控制

针对水下无人航行器与运动母船对接过程中存在多种复杂约束,单一优化目标无法满足多目标同时最优的问题,本文通过将满意控制思想引入到模型预测控制中,设计了一种约束条件下的多目标多自由度的满意模型预测控制对接控制器.首先,对动基座水下无人航行器对接过程中的多种复杂条件进行详细分析.然后,将水下无人航行器模型按照满意思想进行分布式处理,得到北东位置、深度、纵倾和航向模型.最后,将多种复杂约束分别引入到分布式的水下无人航行器预测模型和目标函数中,进行优化求解.仿真结果表明:该方法在处理多种复杂约束问题上的快速性和稳定性.     

垂向振荡对螺旋桨敞水性能的影响研究

船舶在波浪中航行时,船身垂荡运动的同时也带动着螺旋桨相对于周围流体振荡。为了研究振荡对螺旋桨推进性能的影响,该文采用相对运动的数值模拟方法,实现了螺旋桨自身旋转运动和垂向振荡运动的同步进行。对比了不同振荡频率、振幅对螺旋桨敞水性能的影响,结果表明,垂荡会提高螺旋桨的敞水性能,且随着振荡频率、幅值的增大,螺旋桨的推力系数、扭矩系数和敞水效率也略有增大。     

平面波激励矩形板辐射声计算中奇异积分处理方法研究

平面波垂直入射均匀薄板为一常见的透声问题;如果从振动声辐射角度来讲,这也是一个平面波激励板振动的声辐射问题,两种分析思路均已有经典方法可以采用,计算结果也理应一致。前者计算容易,但后者由于积分中含有奇点所以计算比较复杂。文章首先对有限薄板被激振动和声辐射的已有研究结果进行了回顾,重点处理了矩阵求解和奇点积分问题,给出了求解奇点积分的具体方法,对奇点的影响进行了分析,最后编写程序进行计算。计算结果表明,基于简正模态的计算方法在给定算例下的结果与理论分析结果接近。这表明基于振动模态分析的方法是可行的。此方法技术难度较大,但其可用于研究简支薄板的声场结构,以及曲面结构声辐射等复杂问题的求解。     

随浪中船舶复原力计算和试验研究

目前国际海事组织第二代完整稳性衡准正在制定中,纯稳性丧失被列入五种稳性失效模式之一,随浪中复原力变化是纯稳性丧失薄弱性衡准和稳性直接评估的关键因素。该文以C11集装箱船为对象,对随浪不同波浪条件下的横摇复原力进行了试验测量,得到了不同横摇角度时的复原力变化,分析了不同波浪条件下复原力的变化规律;并开发波浪中复原力计算方法和程序,对随浪中船舶横摇复原力进行了计算分析,最后和试验结果进行了对比,有效验证了计算方法的准确性和有效性,为纯稳性丧失直接评估方法的实现奠定了基础,为船舶第二代完整稳性衡准的建立提供了技术支撑。     

规则波中参数横摇直接稳性评估方法研究

国际海事组织(IMO)正在制定第二代完整稳性衡准,其中参数横摇是非常重要的稳性失效模式。为提供一种计算可靠且便于工程应用的参数横摇直接稳性评估方法,该文采用一种实用的三维时域方法进行规则波中船舶参数横摇运动研究。在该方法中,应用组合Rankine源和时域格林函数的混合源法求解辐射势和绕射势,对船体平均湿表面进行压力积分求解辐射力和绕射力,而Froud-Krylov力和静水力是通过对船体瞬时湿表面压力积分获得的,同时考虑垂荡-横摇-纵摇三自由度之间的耦合作用,以及非线性横摇阻尼的影响。以国际标模C11集装箱船为研究对象,数值分析不同航速和波陡条件下的参数横摇运动规律,将计算结果与已有的试验结果进行了对比,并依据IMO提案中关于参数横摇的定量验证标准进行准确性评估,评估结果为IMO参数横摇直接稳性评估方法的制定提供了相关技术支撑。     

混合驱动水下滑翔器主从互转式应急控制技术研究

水下滑翔器是一种长续航新型水下机器人,利用其高效的驱动方式能够航行数月,因而相比其他无人水下自主航行器,滑翔器控制系统的可靠性显得尤为关键。根据水下滑翔器长续航的工作需求,结合其分布式控制系统的架构形式,设计了一种主从互转式应急控制技术。通过CPU互监控以及建立公共存储区等手段,实现了控制器异常情况下的非复位式热切换,保证了滑翔器重要动作部件的正常运行。试验结果表明,利用主从互转式控制方式,可以极大的减小了控制系统中主CPU宕机对滑翔器自主运行的影响,增加水下滑翔器的安全性能。     

面向船体结构动冰载荷监测的线性形函数识别方法研究EI北大核心CSCD

船体结构冰载荷监测系统中的载荷识别算法是对船舶在冰区安全运行进行实时评估的关键环节,而常用的影响系数矩阵法尚未考虑冰载荷的动力效应。在时域内将动冰载荷离散为诸多时间元,在每个时间元内利用线性形函数的组合形式逼近构造动冰载荷;通过结构的动力响应分析得到形函数的响应矩阵,并以此建立船体结构冰载荷识别的正问题。利用共轭梯度最小二乘迭代型正则化算法和终止迭代准则对冰载荷识别问题中的不适定性进行控制。该数值算例和试验验证均表明,该冰载荷识别模型具有良好的识别精度、求解速度及稳定性。     

基于NURBS曲面建模的三维空泡形态计算方法

空泡形态研究是超空泡航行体设计与应用的关键所在。对于充分发展的空化,将Logvinovich空泡截面独立膨胀原理与NURBS方法结合,通过航行体和空泡面的NURBS曲面建模和求交运算得到航行体的三维空泡形态,分别就轴对称型定常空泡、小攻角引起的非轴对称型定常空泡以及航行体竖直向上运动过程中的非定常空泡进行了模拟。结果表明:该方法可用于计算具有复杂外形航行体的三维空泡形态,并且可视化程度高,具有一定的工程应用参考价值。