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.     

基于反演设计的超空泡航行体滑模控制

超空泡航行体是一个具有非线性滑行力、系统参数不确定性的多变量系统。文中以Dzielski提出的航行体模型作为基础,分析了超空泡航行体在运动中,由于空泡形态、尾部湍流等因素引起的不确定性及外界干扰力。利用反演法设计了超空泡航行体的滑模控制器,并在控制器设计中加入自适应律,估计不确定项的上界。仿真结果表明,设计的控制器能够有效的调整超空泡航行体的纵向状态,并对设计的标准弹道表现出良好的跟踪性能。     

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。     

海洋环境扰动对水下航行体超空泡形态的影响

基于空泡截面独立扩展原理,编写自然超空泡形态时变特性计算软件.5级海况波浪扰动下,超空泡长度变化不超过5%,最大截面半径变化不超过2%;随着航行深度的增加,超空泡尺寸逐渐减小;当遇到较大压力脉冲时,超空泡从中前部溃灭,空化器附近仍保留部分空泡;波浪对水下航行体超空泡流动的影响较小;在变深度运动时,须注意超空泡尺寸变化幅度,避免航行体沾湿;爆炸冲击波对超空泡流动有较大破坏作用.     

基于混合扩展卡尔曼滤波的超空泡航行体变深运动控制研究

为解决测量和环境噪声导致的超空泡航行体在变深运动中的失稳问题,提出一种基于混合扩展卡尔曼滤波算法的控制方法。进行水洞实验获取超空泡航行体模型在控制过程中的测量和环境噪声,采用这些数据改进了超空泡航行体的纵向运动数学模型;基于混合扩展卡尔曼滤波算法改进了超空泡航行体变深运动控制器。仿真结果表明,混合扩展卡尔曼滤波算法能够有效地提高超空泡航行体变深运动的稳定性。     

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。     

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。     

基于无迹卡尔曼滤波的超空泡航行体最优控制研究

针对超空泡航行体运动过程中环境噪声和测量噪声带来的不利影响,提出一种基于无迹卡尔曼滤波器（UKF）的最优控制算法。通过超空泡航行体动力学建模,建立含有环境噪声和测量噪声的状态方程,分别在无滤波器和含有UKF情况下的最优控制器进行了仿真分析。研究结果表明：在环境噪声和测量噪声干扰下,超空泡航行体跟踪误差较大,运动极其不稳定,处于失稳状态;在UKF作用下,超空泡航行体跟踪误差明显减小,在较短时间内达到全包裹状态,有较好的信号处理效果。     

预置舵角下超空泡航行体运动过程弹道特性研究

为研究超空泡航行体在水平面机动转弯过程中的弹道特性,采用航行体头部设置预置舵角方法实现,开展了0°、3°和6°预置舵角下航行体自由运动的试验研究。试验在水池中进行,采用高速摄影观察不同预置舵角下的空泡演化过程,采用内测装置测量航行体运动参数,获得了不同预置舵角下超空泡航行体水平运动过程中的弹道特性。试验结果表明：当预置舵角为0°时,航行体侧向力由于非定常因素扰动小幅波动,但均值基本为0;当存在预置舵角时,随着预置舵角的增大,轴向力和侧向力不断增加;预置舵角可以控制超空泡航行体的弹道水平机动转弯,且预置舵角越大、弹道越容易转弯,但舵角过大会导致航行体弹道失稳。     

超空泡水下航行器空间运动建模与弹道仿真

在包含超空泡“时间延迟”效应的基础上,建立了超空泡水下航行器空间运动模型。模型中体现了机动条件下空泡中轴线相对航行器中轴线的偏移产生的流体动力及力矩。为考察该模型在强机动条件下的准确性,进行了弹道仿真分析。结果表明所建立的模型能够描述航行器机动运动的特性;同时表明在实施极限操舵模式时,舵角极限量是影响姿态角对舵角振荡特性的关键因素。该结论对超空泡水下航行器控制技术研究具有重要意义。     

半疏水-半亲水球体垂直入水空泡数值仿真研究

采用流体体积多相流模型耦合连续表面力模型,对具有非对称表面润湿性的半疏水-半亲水球体垂直入水空泡形态发展过程进行数值仿真,分析了半疏水-半亲水球体垂直入水过程中受到的流体动力。研究结果表明：半疏水-半亲水球体垂直入水后,产生非对称入水空泡及“心”型喷溅,同时球体运动轨迹将偏离原竖直运动轨道,由疏水半球一侧向亲水半球一侧偏斜;入水初期,在球体表面形成液体薄层运动,在疏水半球一侧,液体薄层与球体表面分离,导致空气进入形成敞开空泡;在亲水半球体一侧,液体薄层沿球体表面向上运动最终在球体顶点汇聚;液体薄层汇聚后形成楔形流,楔形流在球体顶点与球体表面分离,继续向疏水半球一侧产生的入水空泡壁面运动并撞击,形成“心”型喷溅。     

超音速带弹武器舱气动特性数值研究

采用大涡模拟(LES)和计算声学FW-H 方程相结合的方法,研究了带弹武器舱在超音速条件下的气动特性,建立了计算模型并验证了网格的可靠性。计算结果表明:带弹武器舱的流场由于导弹的分隔而形成3 个独立旋涡,静压系数沿流向总体呈先减小后增大分布;流场噪声声压级比空腔流场低5 ~6 dB,最大声压级出现在弹舱后壁面两侧区域,声压级峰值频率小于200 Hz;流场噪声产生于舱口剪切层的自持振荡,在导弹头部和弹舱后壁面之间区域存在“ 脱落涡-声波-反射声波-新脱落涡冶的循环。研究结果对建立适用于超音速带弹武器舱的流场控制方法有参考意义。     

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积（VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。     

基于转矩控制策略的电传动履带车辆驱动特性研究

从原理上探讨了通过直接控制左右侧电机的输出转矩大小来控制某电传动履带车辆整车运动的可行性,提出了转矩控制策略,建立了基于多体动力学软件RecurDyn／Track-HM的履带车辆整车行动部分三维多体动力学虚拟样机模型和基于控制系统分析软件Matlab/Simulink的综合控制器及电机控制系统模型,同时基于上述不同软件的接口技术建立了机械系统和控制系统协同仿真模型,对0～32 km/h的加速时间、不同车速下的100 m直驶偏移量、B/2转向及15°爬坡性能等驱动特性进行了协同仿真及实车试验研究,通过分析和比较验证了模型及转矩控制策略的正确性,为进一步深入研究其它驱动特性奠定了基础。     

重力静压梯度场中通气空泡形态研究

基于连续方程,动量方程,能量方程,状态方程和标准k-ε方程,实现了重力静压梯度场中通气空泡流的数值求解;将来流边界温度定义为时间的函数关系,研究了重力静压梯度场中海洋垂向温度场对空泡形态影响规律;通过对等温通气空泡流进行数值研究,得到了重力静压梯度场中空泡长度和空泡直径随弗劳德数和空化数的变化规律。计算结果与已有经验公式和实验结果符合良好,证明该方法能够有效地预测重力静压梯度场中通气空泡形态。