水下航行器大侧斜对转桨水动力性能计算

对转桨具有效率高的特点,大侧斜桨具有噪声低的特点。因此,大侧斜对转螺旋桨通过合理设计,能够兼备两者优势于一体,其水动力性能计算是设计中的一个关键问题。本文基于不可压缩流体"雷诺时均Navier-Stokes方程+RSM湍流模型",采用多重参考系模型处理多旋转区域耦合问题,仿真计算了螺旋桨的稳态流场,得到推力、扭矩、航速及效率等相关参数信息。相对常规对转桨而言,大侧斜对转桨的水动力性能更加优越,适用于水下航行器的推进器领域。     

水下对转螺旋桨空化线谱频率预报与数值模拟

水下高速目标对转螺旋桨常工作在空化状态,其噪声线谱由前后桨相互作用及前后桨 与船舶尾流场的相互作用引起。通过Goldstein 的声相似方程,将空泡看作螺旋桨的一部分,对空 化条件下水下对转螺旋桨的线谱频率进行了理论预报。推导出了远场条件下单极子源性质的声源 所产生的声压表达式,得到了其线谱预报频率。利用Schnerr-sauer 空化模型及RNG k-着湍流模型, 并采用动网格模型对对转螺旋桨进行空化数值模拟。结果表明:预报的DTMB4381 螺旋桨空泡形 态与公开发表实验及数值模拟结果吻合度较好。利用该方法得到的对转螺旋桨空化线谱频率与理 论预报结果完全吻合。     

水下对转桨非空化线谱噪声分析与数值研究

为了研究水下对转桨非空化状态的目标特性,分析了对转桨非空化线谱噪声的产生机理,其产生机制是前后桨干涉作用和周向谐波流场作用。利用广义声类比方程,将这两种机制引起的升阻力作为噪声源,推导了水下对转桨远场声压表达式,分析了线谱预报频率以及声压的方向性,得到了强弱线谱出现的条件。研究发现：预报的线谱频率可用f=sAPF+pBPF₁+hBPF₂表示;声压辐射呈“8”形分布;干涉作用和周向流场作用的贝塞尔函数是否取峰值是强弱线谱出现的必要条件。数值计算方面,利用RNG k-ε湍流模型、滑移网格模型结合FW-H方程对对转桨进行非空化数值模拟,结果表明：在对转桨水动力性能预报方面,RNG k-ε湍流模型比Realizable k-ε湍流模型精度更好;噪声性能预报方面,该方法得到的对转桨非空化线谱频率以及声压方向性与理论结果非常吻合。     

大侧斜螺旋桨负载噪声的边界元数值声学方法频域内计算分析

为探索艇尾桨无空化水下辅射噪声的数值预报方法,采用流场大涡模拟(LES)和声场边界元数值声学的弱耦合方法在频域内对艇尾标称伴流条件下的大侧斜螺旋桨水下负载噪声进行了预报.耦合方法的可信性由计算得到的DTRC4119无侧斜螺旋桨球面空间声压分布和特征测点处声压频谱级曲线与文献[5 -6]计算值的比较给予了验证.LES计算...     

加速旋转螺旋桨噪声测试水洞试验研究

为了获取船舶螺旋桨在加速旋转状态下辐射噪声与螺旋桨转速之间的关系,在国际标准的大型循环水洞开展了加速旋转螺旋桨噪声测试试验研究。首先以水洞试验相似准则为约束,分析了在进行模型桨模拟实桨加速过程的噪声测试时需要满足的试验条件,提出了相应的试验工况设计方法。并且,提出了一种从螺旋桨动力仪输出的脉冲信号中获取螺旋桨转速参考值的方法,避免了在加速时脉冲重复周期不断变化给测量精度带来的影响。最后基于Radon变换分析了实测的螺旋桨噪声数据,分析结果表明,试验数据蕴含了螺旋桨转速变化的信息,有助于进一步进行加速旋转螺旋桨辐射噪声信号特性及分析方法的研究。     

舰船辐射噪声模拟与实现方法

提出了一种基于特定频率响应FIR滤波器的宽带舰船辐射噪声模拟方法,线谱采用正弦信号模拟,并设计了一套数据回放系统。模拟系统的输入参数包括舰船吨位、航速、螺旋桨叶片数及转速。试验结果表明:该方法产生的舰船噪声与期望的频谱结构基本一致,数据回放系统也能够较好地、真实地模拟原始信号。     

基于不同湍流模型的水下航行体圆柱结构流动特性数值模拟

为提高水下航行体的隐身性能,探究不同湍流模型对水下航行体圆柱结构水动力数值模拟的影响。基于OpenFOAM开源计算流体力学工具包,进行水下航行体圆柱结构的数值模拟。开发3种混合湍流模型嵌入OpenFOAM工具包,3种模型分别为尺度自适应模拟方法、部分平均N-S方程方法和改进的延迟分离涡方法。基于开发的3种模型进行数值计算仿真,得到水下航行体典型圆柱结构的绕流场分布以及受力特征。研究结果表明：湍流模型的选取对于水下航行体水动力模拟有着显著影响,所得结果对后续探究水下航行体辐射噪声的研究具有指导意义。     

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法（LBM）的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明：与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。     

基于谐波集检测的飞行目标水下声探测算法研究

螺旋桨飞机以一定高度在水面上飞行时,其噪声谱中的线谱存在明显的谐波关系。随着噪声由空气入水的跨界传播以及水下传播环境的变化,谐波关系有减弱的趋势。针对此问题,提出了基于谐波集检测与最强谱线检测相结合的检测算法。该算法采用门限调节因子来自适应地调整检测门限,提高了远距离低信噪比情况下目标的探测性能,可以有效地在水下环境检测螺旋桨飞机。水下单水听器接收的实测信号检测结果表明,对于巡航速度为36 m/s的螺旋桨飞机,探测距离可以达到2.48 km.     

自主水下航行器回收过程中螺旋桨推力特性分析

在自主水下航行器 (AUV) 水下回收过程中,螺旋桨的推力特性对AUV的稳定性控制及安全性能等影响非常明显。主要基于计算流体力学方法,采用多块混合网格技术结合RNG k-ε湍流模型,对AUV在不同回收工况下的螺旋桨推力特性展开数值模拟。建立AUV及螺旋桨的三维几何模型;基于多块混合网格方法对计算域进行空间离散,同时采用动网格技术实现螺旋桨与回收管的相对运动及自身旋转运动;利用有限体积法展开数值计算。基于计算数据与试验数据的对比及数值无关性测试,表明所使用的多块混合网格方法能够对AUV回收过程螺旋桨推力特性进行准确计算,为AUV水下回收过程的控制及安全性能评估能够提供理论参考。     

基于蒙特卡洛法的卫星分离姿态计算方法

为了计算以弹簧作为分离动力源的卫星在星箭分离时刻的分离姿态,建立了六自由度动力学方程,并采用龙格库塔法求解了该方程,算例结果表明:通过该方法计算得到的分离角速度与ADAMS仿真计算结果相比,最大偏差小于0.77%。基于以上研究,针对卫星、弹簧装置多个设计偏差对卫星分离姿态的影响,提出基于蒙特卡洛法的卫星分离姿态分析方法。飞行试验结果表明,由该方法得到的分离角速度与常规保守算法相比,计算精度提高35%左右,解决了工程中由于采用将各个偏差取最大值进行保守计算而导致计算结果偏差较大的问题,可为卫星设计、弹簧装置设计提供参考。     

基于刚体弹道模型的防空火控解算方法

为改善火控系统的通用性和实时性,提出了基于刚体弹道模型的防空火控解算方法。对目标量测信息进行无偏转换,并将无偏转换得到的噪声协方差矩阵做解耦,在对目标状态准确估计同时,降低滤波算法计算的复杂度;利用割弦迭代法计算出命中点坐标,并在每次迭代过程中,利用虚拟脱靶量对射击诸元进行修正,减少对弹道微分方程的计算次数,极大提高火控解算的求解速度。仿真实验结果表明,该方法有效和可行,可以更加精确地计算出射击诸元,且计算量相对于传统火控解算方法得到了显著改善。     

联合对角化技术在空间谱估计中的应用

在实际工程应用中,传统空间谱估计方法受噪声、干扰及采样效应等因素影响,其性能明显退化.为了克服这些因素对方位估计结果的影响,提高算法性能,本文将空时相关矩阵组代替传统的采样协方差矩阵,利用联合对角化这一新的数学工具,研究了一种基于Jacobi旋转正交联合对角化的空间谱估计方法.通过对空时相关矩阵组进行联合对角化,得到了联合对角化矩阵和对角化后的矩阵组,最终利用联合特征值和特征向量得到修正的阵列协方差矩阵,并对空间谱估计处理器进行修正.仿真结果表明,在不同的信噪比、快拍数等条件下,基于联合对角化的空间谱估计算法较传统方法具有更高的分辨力和更低的均方根误差,能有效降低方位估计的信噪比门限,进而改善传统空间谱估计方法的方位估计性能.     

基于频域FFT的P码直接捕获技术研究

为了提高定位精度和满足C/A码不可用的场合,文中提出了GPS(global positioning system)中基于频域FFT的P码直接快速捕获方法,并对不同信噪比情况下的峰值检测结果进行了Matlab仿真分析,接受信号较弱时,则采用视频累积方法.仿真结果表明,基于频域FFT的P码直接快速捕获方法可行.通过理论分析,与传统的滑动相关法相比,这种快速捕获方法的捕获时间缩短了十倍以上,捕获运算量也大大减少.     

水面仿生矢量推进器倒车性能分析

针对两栖平台倒车机构复杂、性能研究难以开展的问题,基于水面仿生矢量推进器,提出了一种倒车方式。设计了新型两栖平台,通过推进器反向转动输出倒车拉力,实现了平台0.7 m/s 速度的直线倒行和0.75 m小半径的转弯倒行,提供了更为快速灵活的倒车方式;建立了推进器流体动力学模型,结合下压力、倒车拉力和转矩三维驱动的周期性输出规律,分析轮轴高度、轮辐长度、转速和叶片夹角对推进器倒车性能的影响,扩展了平板旋转绕流的研究;建立敞水试验系统,验证了数值计算模型的正确性。结果表明：随着推进器轮轴高度增加,转矩单调递减;下压力和倒车拉力随着轮辐长度线性变化,转矩与轮辐长度呈二次函数关系;随着转速提高,三维输出单调递增。研究结果为两栖平台倒车控制提供了理论参考依据。     

水陆车辆喷水推进器流场流速和含气量的实车测试技术

针对水陆车辆喷水推进器流场流速和含气量的实车测试难题,研究测试方法并研制传感器。分析问题的主要原因,根据流体力学理论,提出在喷水推进器喷口实施测试方案,并研制探针式流速和含气量传感器、压阻式流速传感器、电极板式含气量传感器。测试结果表明:该技术能解决由于车辆强烈的振动、喷水推进器周围空间狭小、测试时不能破坏喷水推进器的流场从而导致现有的流速测试传感器或仪器无法使用的难题,设计的水陆车辆喷水推进器流场流速和含气量的实车测试技术方案在某水陆车上实施,测试精度能达到满意的效果。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。