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．     

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。     

基于伯努利方程与边界层理论的水下航行体减阻特性分析

针对超空泡航行体减阻特性,基于伯努利方程与边界层理论,分析航行体在超空泡状态下相比于全沾湿状态和局部空化状态下的减阻特性,并讨论航行体的头部圆锥半角、长径比与尾部外形对航阻的影响。仿真结果表明:超空泡航行体具有明显的减阻效果;在同样的航行体长径比约束下,减小长度相比于减小直径其增阻效果更趋明显;圆台尾部相比于圆柱尾部的减阻效果随着空泡腔体的增大而渐趋弱化。     

水下航行体表面凹槽数对超空泡流场影响的数值模拟

基于FLUENT软件,采用VOF方法,对不同表面凹槽数的水下航行体超空泡流场进行了数值模拟,分析了不同表面凹槽数所形成的三维超空泡的形态特征。模拟了不同表面凹槽数情况下航行体超空泡形状并与Logvinovich半经验公式的结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。通过对不同表面凹槽数航行体超空泡截面形态做进一步的对比,分析了超空泡面凸凹变化的原因,并得出水下航行体表面凹槽数对超空泡流的影响。计算结果表明,随着表面凹槽数的增加,超空泡外形轮廓变小,该结果与实验结果一致。     

高速水下航行体超空化通气参数数值研究

超空化技术是水下航行体减阻增速的一种重要方式。通过求解N-S方程,利用两方程湍流模型和全空化模型对通气空化流场进行了数值模拟,研究了通气参数对空化流场结构的影响,揭示了通气超空化减阻机理和场内流动状况,分析了超空化航行体阻力特性,数值结果表明供气量是决定空泡形态和超空化航行体减阻效果的最关键因素,供气位置和方向对空泡形态及水动力特性的影响并不显著。     

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.     

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.     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

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.     

2D楔型舵的空泡流场特性研究

水下航行体的航行性能直接受其操纵舵的影响，为确保航行体在全沾湿以及超空泡航行状态时均具有良好的稳定性，该文采用理论数值方法详细分析比较了2种典型楔型舵翼型在不同航行状态下的空泡形态及其升／阻力系数的变化规律，研究结果表明，随着来流攻角的增大，阻力系数呈现先减小后增大的趋势，且大空泡数条件下2种楔型舵的舵效相当，但有平行后体时的楔型舵在小空泡数条件下具有较高的舵效，需合理选择楔型舵以确保航行体具有稳定的航行性能。     

弹性尾缘对超空泡航行体空泡形态与压力脉动特性影响的水洞试验研究

为分析弹性尾缘对超空泡航行体水动力特性的影响,设计一种带有可变刚度弹性尾缘的航行体模型。通过水洞试验研究了弹性尾缘航行体模型在不同压差系数、不同通气率下的空泡形态与压力脉动。试验中采用工业摄像机采集尾缘形态与流场结构,同时利用动态测试系统采集弹性尾缘区域特征点的压力脉动信息。通过空泡形态变化与特征点压力脉动变化对比分析,得到如下结论：弹性尾缘的变形随压差系数的增加而增大,当变形后的弹性尾缘直径达到航行体主体直径的1.35倍时,弹性尾缘对空泡形态有明显的影响,空泡闭合点前移至尾缘前方,尾缘后方的模型表面进入沾湿状态且压力增大;变形继续增加后,弹性尾缘后方形成了剧烈波动的尾空泡并导致沾湿面积减少,模型表面压力减小。     

基于二维分岔的超空泡航行体非线性动力学特性分析

基于二维分岔图,利用相轨图、时域仿真图、Lyapunov指数谱等动力学分析工具分析了超空泡航行体复杂的动力学行为,探讨了超空泡航行体运动状态随尾翼偏转角反馈控制增益及空化数的变化规律,确定了航行体稳定运动的条件和参数范围。结果表明:随着参数的变化,超空泡航行体的动力学行为中存在分岔、混沌、周期窗等丰富的非线性物理现象; 合理调整尾翼偏转角,能够有效抑制航行体的振荡与冲击。研究结果对超空泡航行体控制器的设计具有重要的指导意义。     

超空泡航行体的增益自适应变结构控制设计

针对超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时存在流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等问题,提出了增益自适应变结构的控制方法。首先改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,借鉴Backstepping思想设计了滑动模态面;采用增益自适应算法对干扰未知上界进行了估计,最后设计了基于变结构理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明:该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

水下连发射弹的超空泡流动特性研究

基于Fluent流体仿真软件,采用用户自定义函数控制的动网格技术,对水下连发射弹的超空泡流场进行了数值模拟。通过与1组实验工况的比较,证实了所采用的数值模拟计算方法的可靠性。分析了两连发和3连发射弹情况下,超空泡流场的相互作用及其变化机理;得出了射弹超空泡无量纲长度在超空泡流场作用下的变化特点,计算出了流场的速度变化曲线和速度矢量等。研究结果表明：两射弹间的超空泡融合后,会在超空泡尾部区产生高速回射流并产生大量旋涡。这些旋涡引起的扰动能致使后续超空泡快速溃灭,表明了超空泡的极其不稳定性。后面的射弹进入前面射弹的空泡内后,其阻力系数达到最小值。当两连发超空泡射弹通过扰动区域时,前后超空泡都受到干扰,从而造成了它们的阻力系数增减。     

预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性研究

为了研究预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性,开展了入水角为20°时的试验研究。超空泡航行体由空气炮加速获得入水初速度,采用高速摄像机记录入水空泡流型,同时由内测系统记录航行体的运动参数和尾部压力变化。对预置舵角为0°和20°时的试验结果进行对比分析,给出了预置舵角下航行体倾斜入水弹道特性,并进一步研究了不同预置舵角对弹道的影响。试验结果表明：预置舵角为0°时航行体以超空泡状态沿直线运动;预置舵角为20°时出现显著的尾拍现象,轴向力和法向力增大,弹道特征体现为偏向水面弯曲,航行体最终以双空泡状态航行,弹道偏转趋势提升;增大预置舵角有助于增强航行体的弹道偏转能力。     

超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究

为探究带圆盘空化器的超空泡航行器倾斜入水过程冲击载荷特性,开展了20°入水角条件下的试验研究。超空泡航行器由空气炮加速获得入水初速度,采用内置惯性测量单元记录载荷变化,试验完成后提取数据进行分析;试验设定了典型入水工况,分析了航行器入水冲击过程轴向载荷的变化特性,进行了入水速度和空化器面积对入水冲击载荷影响的系列试验,分析了各参数下的冲击载荷特性。研究结果表明：航行器入水冲击载荷峰值时刻侵彻距离为空化器直径的1.89倍, 阻力系数为稳定航行阶段的1.33倍;在所研究的范围内入水速度和空化器面积对阻力系数峰值无影响。     

超空泡航行体的变结构控制器设计

超空泡航行体由于浮力缺失以及尾部滑行力的出现,使航行体具有了尾拍、结构振动和非线性等复杂的运动特征,给超空泡航行体的运动稳定控制设计造成了极大的困难。通过分析作用在超空泡航行体上的流体动力,推导出了超空泡下潜一俯仰面运动数学模型。依据对该模型开环时的系统特性分析,针对开环系统的不稳定性,设计了基于改进型指数趋近率的变结构控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明,该闭环系统响应快速,具有良好的稳定性能。