水下航行器流噪声特性水洞试验研究

在高速水洞中进行了水下航行器流噪声的试验研究,测量了不同头部线型、不同来流速度、不同测试点位置处水下航行器缩比模型的流噪声声压谱特性。试验结果发现,上述因素对模型流噪声均有显著影响:模型头部端面直径越小,头部曲线段越长,其流噪声声压级越小;流噪声声压级随着来流速度的增大而增大;相比头部端面其他位置,驻点处的流噪声声压级最小。同时,运用相似率估算了大尺度航行器的流噪声声压谱,获得了较好的预测值。该研究成果对水下航行器的声学设计具有一定的指导意义。     

弯曲河段船舶下行控制航速计算方法探讨

为确定船舶下行过弯控制航速,针对内河弯曲航道通航水流条件及船舶在通过弯曲航道时的操纵特点,提出船舶下行过弯航行控制策略,构建了基于允许正常偏航条件下的弯曲河段船舶下行控制航速的计算模型,并以5 000 t级散货船为对象,计算得出了在不同水流条件下的下行过弯控制航速,计算结果与目前有关内河引航机构对船舶的航速控制符合度高。研究成果对提高弯曲航道通过能力、保障船舶过弯安全均具有积极作用,也可为船舶自主航行的航速控制提供参考。     

水下航行器尾流数值仿真和特征分析

为研究水下航行器尾流特征的影响因素.文中借助圆柱绕流模型对尾流进行了数值仿真分析,基于计算流体力学中的大涡模型,通过二维和三维的数值仿真分析了航行器与入口间距、航行环境深度和航行器直径对尾流特征的影响.仿真结果表明:航行器与入口之间的距离越大,受冲击流的影响,尾流横向分散且分离处扩散的面积增加,尾流的速度减小;航行器航...     

水下航行体超空泡外形控制的数值研究

为研究非稳态条件下的航行体空泡形态随空化器阻力的变化规律,采用FLUENT6.2的动网格技术,对传统变阻力空化器的非定常空泡流进行了模拟,比较了不同中心锥角的变阻力空化器的阻力系数和空泡外形,其中阻力系数的计算结果与试验数据吻合较好;研究了传统控制方案下的空泡外形响应速度,结果显示空泡尺寸的变化要滞后于阻力系数;最后提...     

深水密度层航行潜艇兴波尾迹分析

为研究不同航行参数对深水密度层航行潜艇兴波尾迹特性的影响,基于黏流理论,通过用户自定义函数方式给定各项流体层分布,建立用于密度分层流中水下潜体水动力特性模拟的多相流数值模型。对在深水密度层即内波交界面以下以不同航速、下潜深度航行的SUBOFF潜艇兴波尾迹特性进行数值仿真,并对波切线、水质点速度分布、兴波分布等结果进行分析讨论。研究结果表明:航速对深水密度层航行潜艇兴波尾迹的影响较大,在Fr为0.6附近的中速阶段,潜艇首、尾兴波尾迹最为明显;潜艇下潜深度主要影响自由液面及内交界面处的兴波波幅;与浅水密度层航行潜艇兴波尾迹相比,深水密度层航行潜艇产生的自由面尾迹特征相似,但内波面尾迹会明显不同;交界面上的水质点速度分布随各航行参数的变化与兴波尾迹的变化具有一致性。揭示潜艇在深水密度层这一特殊位置处航行时的兴波尾迹特征,可丰富不同位置处航行潜艇水动力特征分析的手段,并为潜艇的非声探测提供参考。     

水下航行器艇体形状对阻力及流噪声综合影响

艇体形状同时影响水下航行器的快速性和隐身性两大重要性能.为了探究艇体形状对阻力以及流噪声的综合影响规律,本文应用Myring方程确定了不同头部形状、艉部形状,以及平行中体长度的艇型,基于CFD方法应用Realizable k-ε湍流模型对不同艇型的阻力进行计算,并应用大涡模拟湍流模型结合FW-H方程对不同艇型的流噪声进...     

深水密度层航行潜艇兴波阻力的影响分析

为探讨密度分层流体中潜艇航行时的受力特性,本文采用基于粘流理论,结合UDF方法建立的用于密度分层流中潜艇水动力特性分析的多相流CFD模型;研究了SUBOFF潜艇模型以不同航速在深水层即内波交界面以下不同位置处航行时的受力特性。研究表明:航速、位置对深水层航行潜艇的受力特性有较大的影响;兴波阻力对总阻力改变有主要贡献;相较于近水面航行,在深水层航行潜艇的兴波阻力系数曲线峰值点向高航速推移;潜艇位置变化影响潜艇表面整体压强分布,而航速变化仅影响潜艇表面拐点处压强。本文给出了密度分层流中以多种工况在深水层中航行潜艇的受力特性,可为密度分层流中潜艇多参数受力分析提供一种有效的分析手段。     

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。     

仿翠鸟水空跨介质航行器设计与入水分析

为了满足水空跨介质航行器的推进需求,精简其动力系统,仿翠鸟设计由单一动力源驱动的水空跨介质航行器. 通过计算流体力学(CFD)软件仿真分析入水高度、入水角度和航行器密度等关键影响因素对航行器入水速度、深度和冲击加速度等动力学性能的影响,并与自然界翠鸟的入水性能进行对比. 结果表明：在入水角度一定时,增加入水高度将导致航行器所受的冲击加速度增量与入水深度增量的比值增大,从而提高相同条件下对结构强度的要求;在一定范围内航行器密度的增加有利于降低对结构强度的要求;当入水角度约为45°~60°时,所需结构强度最低. 在入水深度满足要求的情况下,应适当增大航行器的密度、减小入水高度,且航行器的最佳入水角度为45°~60°.     

海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算

针对海底管线在输送石油过程中出现的管线冲刷问题,采用物理模型试验并控制一系列不同的试验变量,研究了单向恒定流作用下,海底管线未安装阻流器、安装阻流器及不同间隙比作用下,其下方海床冲刷深度的变化规律。试验结果显示,冲刷深度随雷诺数及阻流器高度的增加而增加;冲刷深度随间隙比的增大而减小,同时根据海床冲刷停止的流速公式(冲止流速),认为动水休止角是冲止流速的主要影响参数。利用流体的连续性条件,从不同角度推导了管线安装阻流器且有间隙比条件下冲刷坑深度的计算公式。结果表明:冲止流速、管线周围流场分布是冲刷深度的决定因素。经试验数据与计算公式的对比验证发现,计算值与试验值吻合良好,本文建立的公式能反应冲刷坑深度的变化规律,在实际工程应用中可适当参考此公式。     

内部声激励下圆柱壳低阶模态声振特性研究

针对舱室空气噪声引起水下航行器的外辐射噪声问题,基于Flügge薄壳理论和Helmholtz波动方程,推导了机械点力源和内部点声源激励下有限长单层圆柱壳的振动方程,分析了声腔结构对声源辐射能量的影响,并通过数值仿真对比分析了机械点力源和内部点声源激励下圆柱壳低阶周向模态声振特性和传递损失。数值计算结果表明:机械点力源激励下,各阶周向模态均影响壳体的振动特性;内部点声源激励下,壳体振动主要由低阶周向模态主导,其声辐射效率更高,能量传递损失更大。该研究结果对水下航行器声学设计具有一定的参考价值。     

UUV海底定点停驻受力特性及稳定性分析

在简单介绍海底定点停驻UUV概念及工作过程的基础上,建立了其在海底时的稳定性分析模型,并推导出了航行器负浮力、主轴与两支撑点之间的半角θ、流体动力Fx、Fy之间的关系。为了研究航行器在海底时的流体动力特性,采用Ansys ICEM对其离海底不同距离及海底有不同倾角时的情况进行结构化的网格划分,并应用CFX软件对其在不同水流速度下的外围流场进行数值仿真,得到了其在海底时所受侧向力、升力随距海底的距离、海水流速及海底倾角的变化趋势。最后,对航行器在海底时的稳定性进行了分析并得到了一组能够保证航行器海底稳定的较好参数。     

基于高阶统计量的水下目标动态线谱增强算法研究

提出了基于高阶累积量的自适应动态线谱增强算法（Cumulant-Based Adaptive Dynamic Line Enhancement,CBADLE)，并对其原理进行了剖析，用水下某航行器线谱的实测数据，对水下航行器与水听器处于不同方位时水听器接收的线谱进行了动态仿真，结果表明，该算法在抑制高斯噪声，提高信噪比和收敛等方面的性能优于通常的自适应线谱增强算法。     

可控参量对水面仿生矢量推进器性能影响

针对两栖平台水陆差异式推进机构复杂、水上航速低的问题,首先,基于蛇怪蜥蜴脚掌运动学规律,研究矢量推进器的仿生机理,设计新型水面平台和两栖平台,样机试验达到了推进器气穴式推进以及平台10.6°攻角滑水航行的仿生效果.然后,结合ЦАГИ方法,开展了水面平台滑水航行动力学分析,进一步建立了平板旋转绕流模型,在单叶片力学特性和推进器合成分析的基础上,得到了驱动输出对应的最优轮轴高度以及航速与转速协同变化对驱动性能的影响,并进行了试验验证.结果表明:由单叶片三维驱动可推导推进器的周期性输出;轮轴从水面开始升高,托举力和转矩振幅先增大后减小,推力振幅单调递减,三维驱动输出峰值对应不同轮轴高度;推力和转矩整体随航速增加而减小,随转速增加而增大,托举力的变化趋势不同.     

CFD方法的船舶骑浪稳性研究

为研究船舶骑浪状态下的稳性损失,本文基于计算流体力学方法,对船舶骑浪航行时的复原力臂进行了计算。采用边界造波法构建了适用于船舶骑浪航行的规则波数值波浪水池,以某瘦长型船模为例,对其在静水及3种不同波高波浪中骑浪航行且波峰位于船舯时的流场进行了数值模拟,综合计入波浪及船行波影响,计算了船模在不同横倾角下的复原力臂,得到了不同工况下的船模稳性曲线。实验结果表明,船舶骑浪航行时,波高越大,稳性损失越严重;骑浪航行时船舶航速较高,在计算稳性损失时,船行波的影响不可忽略。     

振动工况下船舶管道中冰晶流动特性

极地船舶航行中,针对船舶海水冷却系统管内冰堵问题,本文基于CFD数值模拟方法,采用欧拉-欧拉双流体模型研究振动对水平直管中海水-冰晶两相流流动特性的影响,分析不同振幅、振动频率工况下水平直管内冰晶颗粒体积分布及流动压降的变化.通过实验与仿真分析,在振动频率为20 Hz条件下,直管进出口压降随振幅从0增大到1.2 mm,...     

高阶面元法求解非线性船行波问题

针对非线性船行波问题,本文基于三维势流理论,采用Rankine源高阶面元法求解。非线性自由面条件通过定常迭代法求解,物面条件考虑船舶实际湿表面。开发数值程序实现了船体表面网格自动划分并采用不完全LU分解的预处理GMRES迭代法求解边界积分方程组。计算了无限水深下Wigley和S60船在不同航速下兴波阻力、姿态、自由面波形等,与试验结果吻合良好;计算了Wigley浅水中船侧波形及兴波阻力,分析了水深、航速对结果的影响,研究表明本文所采用的方法能够准确预报船舶兴波阻力、姿态及波形,对不同船型、不同航速、不同水深均广泛适用。     

基于分区段优化方法的帆船绕标航行路径动态仿真

为便于在帆船绕标比赛中根据赛场环境变化选取最优行驶路径,介绍了分区段优化全航程路径的规划方法及基于模糊概念和进化理论的区段航行轨迹优化方法,在MATLAB环境下建立了赛场最优航行路径的动态仿真模型.该模型可以动态模拟帆船的航行轨迹,可在每一区间实现最优航向点的确定.仿真结果显示:在给定赛场环境参数下,模型能给出最佳航速下的最优行驶路径及最佳航向角.     

Magnus减摇装置及其升/阻力特性分析

为了研究基于Magnus效应的船用减摇装置(转子翼)的水动力特性,本文结合美国Quantum公司推出的Maglift型产品,采用ANSYS软件分析了不同航速、转速下转子翼的升/阻特性。建立了转子翼绕流的几何模型,利用ANSYS-CFX对转子翼的升/阻力及升/阻系数进行稳态仿真分析,将得到的升力进行非线性曲面拟合,得到转子翼升力与转速和航速的关系。仿真结果表明:转子翼的升/阻力受航速、转速的影响显著,均随二者的增加而增加;与传统减摇鳍对比,Magnus减摇装置具有更高的升力系数,开展对Magnus减摇装置的水动力分析具有十分重要而深远的意义。     

基于Fluent的边界层转捩仿真研究

基于Fluent软件,利用已有的RANS求解器,采用SST k-omega湍流模型,对Aerospatiale-A翼型流体绕流问题进行了数值模拟,分析了不同攻角下翼型流场的速度与压力分布云图,并在攻角为13.1°与13.3°条件下,将仿真计算结果与国外风洞实验数据进行了对比分析。结果显示,在该条件下,能够观测到边界层转捩现象,并且直接数值模拟结果与已有的风洞实验数据吻合,验证了仿真结果的可靠性。