水下航行器水动力系数计算方法研究

为了高效的求取水下航行器的水动力系数,文中提出了一种空间拘束运动模拟方法。与传统方法的反复计算不同,该方法仅需一次算例就可求得方程中的全部水动力系数,在保证计算精度的同时极大的缩短了计算周期。为了验证新方法的准确性,文中进一步完成了某航行器的平面机构运动试验以及该试验的数值模拟分析。两种CFD模拟方法计算得到的水动力系数值相当接近。说明在设计初期,用空间拘束运动模拟方法代替现有的常规平面拘束运动数值模拟,快速求得设计艇型的水动力系数是可行的。此外,新方法的计算结果与水池试验数据的误差较小,进一步表明该方法的可行性。     

水下航行器水动力系数计算方法研究

为了高效的求取水下航行器的水动力系数,文中提出了一种空间拘束运动模拟方法。与传统方法的反复计算不同,该方法仅需一次算例就可求得方程中的全部水动力系数,在保证计算精度的同时极大的缩短了计算周期。为了验证新方法的准确性,文中进一步完成了某航行器的平面机构运动试验以及该试验的数值模拟分析。两种CFD模拟方法计算得到的水动力系数值相当接近。说明在设计初期,用空间拘束运动模拟方法代替现有的常规平面拘束运动数值模拟,快速求得设计艇型的水动力系数是可行的。此外,新方法的计算结果与水池试验数据的误差较小,进一步表明该方法的可行性。     

水下航行器水动力系数计算方法

为了高效地求取水下航行器的水动力系数,本文提出了一种空间拘束运动模拟方法。该方法仅需一次算例就可求得方程中的全部水动力系数,在保证计算精度的同时极大地缩短了计算周期。为了验证该方法的准确性,利用航行器完成了平面机构运动试验并模拟分析该试验的数值。2种计算流体动力学方法得到的水动力系数值接近。说明在设计初期,用空间拘束运动模拟方法代替现有的常规平面拘束运动数值模拟,快速求得设计艇型的水动力系数是可行的。此外,该方法的计算结果与水池试验数据的误差较小,进一步表明该方法的可行性。     

带片体的滑行艇高速航行纵稳性研究

为研究片体布置对滑行艇高速航行纵稳性的影响,本文对单体艇进行了静水拖曳试验,采用有限体积法结合SST k-ω湍流模型,利用重叠网格技术对模型周围绕流场进行了数值模拟,计算值与试验值对比验证了该方法的有效性;利用全因子设计空间采样法和数值手段,对带片体的三体艇高速航行发生海豚运动时的运动响应和水动力特性进行计算,分析了片...     

仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构设计与水动力分析

为了提高水下无人航行器推进系统效率,设计仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构及其摆动形式. 在研究蝠鲼胸鳍运动机理的基础上,设计摆动幅值与急回系数相互解耦的曲轴联合曲柄摆杆机构,以实现仿生胸鳍的特定摆动形式. 推导并建立仿生胸鳍的鳍面运动方程,利用数值仿真分析单侧胸鳍在该摆动形式下的水动力特性,根据设定的推进性能评价指标说明该摆动形式相对正弦摆动形式的优越性. 通过实验验证装置的前进、转向等运动性能,分析胸鳍摆动幅值、频率与运动速度的关系. 结果表明,在特定的摆动形式下,该仿生胸鳍摆动推进机构能够实现水下无人航行器的前进、转向等预定运动,满足基本推进要求.     

基于CFD的调距桨调距过程桨叶水动力性能研究

为了给调距机构的设计提供参考依据,该文采用数值方法对调距过程桨叶的水动力性能进行了研究.比较了调距桨调距过程与定螺距流场数值模拟方法的差异,运用计算流体力学中的动网格技术数值模拟了调距桨调距过程的流场.为了满足动网格的要求和保证网格更新过程中桨叶附近高的网格质量,对计算区域作了特殊处理.进行调距过程数值计算之前,用敞水试验数据验证了3种定螺距情况下数值计算结果.调距过程数值计算通过自定义函数控制桨叶的运动规律.计算结果表明,正常调距过程桨叶水动力性能与定螺距情况相差较小,该结论与理论分析结果一致.     

潜艇操纵性数值模拟中雷诺数的影响分析

潜艇拘束模型试验中模型与实艇雷诺数的2个量级差异是导致水动力系数出现偏差的主要原因.为了研究模型试验中雷诺数对水动力系数的影响,采用虚流体粘度和基于网格变形的动网格技术方法计算了不同量级雷诺数下潜艇的水动力系数,分析了潜艇操纵性水动力计算中雷诺数的影响.研究结果表明,高雷诺数下的惯性类系数计算精度较高,误差最小为1.17%,而粘性类系数计算误差稍大,均在10%以上;整体来看潜艇水动力系数预报值与试验结果吻合良好,证明了该方法对于消除雷诺数在操纵性计算中影响的有效性.     

应用FINE/Marine的航行Wigley船的辐射数值模型

为了准确预报船舶的耐波性能,本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了有航速船舶的水动力分析模型,并应用该数值模型对航行Wigley船的辐射问题展开了研究和分析。对建立的数值模型进行了收敛性验证;然后分别对Wigley船的垂荡和纵摇辐射问题进行数值模拟,将计算所得的附加质量和辐射阻尼系数与时域高阶边界元法的计算结果和实验数据进行了对比,验证了该数值模型在辐射问题上的水动力计算精度。通过以上研究可知:基于FINE/Marine的船舶水动力分析模型可以对船舶的非定常辐射问题进行准确的预报。     

潜体水动力导数的CFD计算方法研究

操纵性是现代潜艇最重要的总体性能之一.研究潜艇的操纵性,需要对潜艇的操纵运动进行预报,因此求得所有的水动力导数值成为操纵性理论分析的前提.利用CFD技术和动网格技术数值模拟小振幅平面运动机构试验,求解了椭球体的水动力导数,并将加速度系数与理论值相比较.流场的求解基于RANS方程和RNGkEpsilon湍流模型,动网格的处理采用Hrvoje Jasak和Zeljko Tukovic的方法,压力和速度的耦合采用PIMPLE方法解耦.流场的控制方程采用有限体积法离散且分离式求解,网格运动的控制方程采用有限元方法离散,网格的分裂采用体和面同时分裂法.结果表明该方法是可行的,从而为潜艇操纵性的理论预报做出一些有益的探讨.     

三维短翼的水动力性能计算研究

针对以速度势为基本变量的船舶螺旋桨面元理论在计算小展弦比三维短翼的水动力性能精度较差的实际情况,考虑自翼梢面元泄出的自由涡,利用简捷的关于扰动速度势的基本积分方程并结合Morino数值库塔条件、压力库塔条件,建立了考虑自翼梢面元泄出的自由涡的三维短翼水动力数值计算模型,以达到提高三维短翼水动力计算精度的目的.为避免在物面上数值求导,用Yanagizawa方法求得物面上的速度分布并通过Bernoulli方程计算三维短翼的压力分布,以此计算三维短翼的升力系数等宏观量.数值分析表明该模型是有效的.进一步考虑涡的衰减,可较好的模拟翼后的流场.     

模型不确定时滞欠驱动AUV的模糊变结构控制

为了实现具有时变水动力系数、未建模动态和时滞等不确定性的欠驱动自主水下航行器的鲁棒控制,以变结构控制的切换函数及其变化率为模糊控制器的输入,以变结构控制律的变化率为模糊控制器的输出设计了一个模糊变结构控制器;为了得到更好的性能,引入了压缩扩张隶属度函数,设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器中的比例因子和量化因子;将该控制器和模糊变结构控制器,准滑模控制器进行了仿真对比,证明本文设计的控制器有更好的性能;最后基于该控制器对具有水动力系数不确定性,未建模动态和控制输入时滞的AUV运动模型进行了数值仿真,结果表明该控制器有很强的鲁棒性,而且控制成本很小,只在某些情况有极弱的抖振.     

黄茅海水域三维水动力数值模拟

基于k-kl紊流模型,联合第三代海浪模式SWAN,建立了波流共同作用下的三维水动力数值模式,并应用到黄茅海水动力数值模拟研究中.考虑到实际河口和海底地形,通过平面和垂向三维坐标变换,在空间完全交错的网格系统上离散化控制方程组,采用内外模式分裂技术求解.数值模拟结果表明:计算值与实测值符合良好,模型较好的复演了黄茅海水域的三维水动力状况,可用于进一步的研究.     

高空远程滑翔UUV气动参数仿真与估算研究

为了研究高空远程滑翔UUV气动参数特性,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论,采用结构和非结构分域混合网格方案,确定计算域、边界条件、求解Navier-Stokes方程对亚音速下高空远程滑翔UUV三维绕流流场进行数值模拟。仿真数据与估算数据进行对比,分析UUV的纵向气动特性、横向气动特性和操纵导数特性,结果显示,仿真数据与计算数据吻合较好,并且其气动特性满足航行器的低阻特性和静稳定性的要求,两种计算方法的准确性进行了相互验证,不仅利于下一步进行航行器的操纵性、稳定性和弹道特性研究,而且为进一步完善设计和模型加工试验提供重要依据。     

水下运动声源部位识别方法研究

为了对水下航行器噪声源部位识别方法的可行性进行验证,研制了一套模拟试验系统。设计了非均匀水听器线列阵,采用常规波束形成(CBF)算法和反卷积(DAMAS)算法对噪声源部位进行了识别。通过对水库试验中静止及运动状态模拟声源的辐射噪声解算,验证了水下运动声源部位识别试验方法的有效性。实验表明:2种噪声源识别算法平均定向偏差小于0.2°,其中反卷积算法性能更为优越,适用于水下航行器噪声源识别。     

飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析

为提高碟形水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式碟形自主水下滑翔机,采用计算流体力学中SST(shear stress transmission)湍流模型对其流体动力特性进行分析,得到其在0°~21°小攻角范围内升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数以及升阻比的变化规律.并与模型实验结果进行对比,得出数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,验证了数值计算方法的有效性,且与传统水下滑翔机相比,飞翼式碟形自主水下滑翔机具有更优的综合水动力性能和滑翔经济性能.对于其运动特性,则基于多体动力学理论建立了该型水下滑翔机的动力学与运动学模型,并考虑了其内部纵向、横向调位滑块移动速度以及浮力驱动系统压载质量变化速度等调节变化的影响,代入数值仿真所得水动力系数,对该型水下滑翔机锯齿滑翔和螺旋滑翔等两种典型水下滑翔运动进行运动仿真.结果表明,该型水下滑翔机具有一定的运动稳定性,从理论上验证了其水下滑翔的可能.     

潜艇舱室进水情况下的应急挽回操纵预报

为了研究潜艇舱室进水情况下应急挽回时的运动规律、姿态变化规律以及成功挽回的能力,在潜艇空间操纵运动模型的基础上,考虑潜艇处于大攻角状态时的水动力系数对潜艇操纵运动的影响,结合潜艇大攻角及螺旋桨变负荷的拘束船模水动力试验,建立了潜艇大攻角应急挽回操纵模型,并借助Laval喷管流动模型建立了高压气应急吹除压载水舱模型.针对潜艇处于大深度特殊工况时的舱室进水事故,对发生事故时潜艇成功挽回的能力以及挽回过程中潜艇姿态和状态等进行预报.分析结果表明,依据文中建立的模型能够较好地预报潜艇舱室进水时成功挽回能力和运动规律,解决了以往预报中结果发散、状态参数突变等非线性现象和潜艇大攻角状态时的运动规律预报不准确等问题.     

舟山海域垂直方向上水动力特征数值模拟分析

通过对舟山海域三维结构网格的建立,划定5个进出口边界,形成一个封闭的计算域。运用计算流体力学方法,基于ADCP流速走航试验实测资料,建立海水模型,Fluent求解器对该海域垂直方向上进行水动力特征数值模拟。实验结果显示,水动力特征数值模拟计算结果与实测资料拟合良好;垂直方向上的流速随海水深度增加而逐渐减小;同一水位点涨潮时的流速始终大于落潮时的流速;海底粗糙度对海域流速影响不大。基于该数值模拟模型,结合日后在该海域摘箬山岛南侧安置海洋环境自动观测站,对验证模型的可靠性以及计算得到整个海域的数据资料具有重要意义。     

Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟

为了对迎浪航行船舶的大幅运动和甲板上浪进行预报分析,基于自由液面捕捉法的多相流软件FINE/Marine建立了数值模型,基于该模型对Wigley船甲板上浪的动态过程进行了系统的模拟。针对甲板上浪的重要影响因素(波长和波幅等)模拟了在不同波长下Wigley船的运动响应和不同波幅下Wigley船的甲板上浪过程。为了更加真实地模拟上浪过程,模型基于粘性流理论,采用固-液-气三相流耦合模型,并利用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散,比较理想地处理了波浪破碎和自由液面的复杂演化问题。基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,其结果与试验数据相符较好。模拟和分析了Wigley船各时段的运动响应特性和水动力性能特性,模拟结果表明相对波长1.2的海况更易发生上浪现象。该研究成果对甲板上浪问题的机理探索以及甲板上浪导致的冲击载荷研究具有重要的作用,对船体主尺度和结构的设计具有一定的参考价值。     

应用PSO和SVM的水下航行器黑箱建模

随着新型水下航行器不断涌现,现有水下航行器数学模型已难以与实际模型吻合.为更好了解新型水下航行器实际模型以及预测新型水下航行器运动,提出应用粒子群(particle swarm optimization,PSO)参数寻优和支持向量机(support vector machine,SVM)的水下航行器黑箱建模方法.首先根据水下航行器的运动状态信息和推进器力,应用支持向量机构造出之间的非线性映射关系,然后通过粒子群智能优化算法获得支持向量机的最佳参数组合,进而实现水下航行器的黑箱建模,最后根据推进器力是否时变,分别以新型四旋翼水下航行器的两种空间运动进行实验验证,并以均方根误差作为空间运动预测结果的评价标准.试验结果表明,基于粒子群参数寻优和支持向量机所构建的水下航行器黑箱模型对空间运动预测具有较小的均方根误差,空间运动预测结果与实际运动基本一致,所建黑箱模型与实际模型基本吻合,能有效预测水下航行器运动状态.     

绕过带凹槽的圆盘空化器的超空泡流的研究

采用VOF的方法,对带有不同凹槽数空化器的航行体诱导产生的三维超空泡,进行了数值模拟。分析了圆盘形空化器凹槽数对所形成的三维超空泡形状的影响;将数值模拟的结果与Logvinovich超空泡截面独立扩张原理的结果进行对比,发现数值计算结果与Logvinovich半经验公式计算结果具有较好的一致性;得出航行体的阻力系数随时间变化曲线。研究发现:随着空化器凹槽数的增加,航行体阻力系数以及超空泡的无量纲直径和长度均呈现出减小的趋势;带凹槽空化器产生的超空泡是典型的三维复合型空泡,其特征是:在来流方向上,不同位置处超空泡横截面的形状是不同的;但是超空泡具有很好的自修复特性,能够在较短时间内恢复成光滑椭球形。该研究的计算数据以及结论可为航行体空化器的设计提供参考。