超空泡高速航行体动力学建模与控制设计

为了研究超空泡航行体的动力学建模和控制问题,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响,详细计算了超空泡航行体各部分所受的流体动力,计算过程中还考虑了空化器的定向效应和空泡尾部的上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了超空泡航行体非线性动力学模型.设计了基于输入输出精确线性化的鲁棒极点配置控制器,深度跟踪性能较好,不足之处是控制输入饱和问题和滑行力的不利影响.为解决输入饱和问题,设计了预测控制方法并通过约束航行体尾部和空泡壁的距离使尾部不与空泡壁相接触,避免了滑行力的出现,有利于减少摩擦阻力,提高了航行体的运动稳定性.     

尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究

为优化通气超空泡航行体流体动力布局,通过水洞试验,研究了航行体尾翼对通气超空泡航行体流体动力的影响.细致分析了通气超空泡的生成和发展过程,给出了尾翼、尾翼楔角对通气超空泡航行体流体动力的影响规律.试验结果表明:航行体尾翼增大了通气超空泡航行体阻力系数与升力系数.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数分别随自然空化数减小而减小.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数随通气率增大先小幅增加后减小.尾翼楔角越大,通气超空泡航行体升力系数越大.     

超空泡航行体前部线型对空泡生成速度影响实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了3种具有不同前部线型的航行体模型。并针对所设计的3种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞进行了超空泡生成速度的实验研究。结果表明:①航行体前部线型对超空泡生成速度的影响程度与航行体的轴向压力分布和斜率分布有关,模型表面的压力和斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高航行体超空泡生成速度;②航行体超空泡生成速度与通气流量有关,增大通气流量可以减小航行体超空泡生成时间。文中结果为提高航行体超空泡生成速度提供一条技术途径和研究方法。     

超空泡航行体转弯运动多相流场特性

为研究超空泡航行体转弯运动过程中多相流特性的变化规律,基于有限体积法和VOF多相流模型求解RANS方程,并结合动网格技术,对超空泡航行体转弯运动过程进行了非定常数值模拟研究.通过将数值模拟结果与基于Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.利用数值模拟方法分析了航行体模型的转动中心对航行体转弯运动过程中空泡形态演化过程的影响,并且研究了转弯运动的轨迹半径对航行体流体动力的影响.结果表明:采用动态网格的数值模拟方法可以更好地对超空泡航行体转弯运动的空泡形态进行仿真,航行体的转动中心对航行体的转弯半径内侧还是外侧表面先出现沾湿区域有重要影响;航行体的流域环境在重力和惯性力的共同作用下使得超空泡尾部形态呈倾斜的双涡管分布;转弯运动过程中,航行体表面刚出现沾湿区域的时候,航行体流体动力会出现一个小幅度波动,随着沾湿区面积的增加,流体动力逐渐趋于平稳,转弯运动的轨迹半径对航行体流体动力有重要影响,转弯半径越小,影响越大.     

超空泡航行体纵向运动控制的水洞实验

针对在理想环境下设计的超空泡航行体控制器不能满足实际条件下的控制要求的问题,本文提出了一种基于水洞试验的超空泡航行体纵向运动控制器的等效设计的方法。通过对空化器可控的超空泡航行体的缩比模型的水洞实验,获取了空化器在运动时的空化数和空泡形态数据,以此为基础对超空泡航行体的纵向运动模型进行修正,并采用LPV反演算法设计了控制器,采用仿真实验检验控制效果。结果表明,采用水洞试验数据进行控制器设计,能够更加贴近实际运动环境,为实现超空泡航行体在真实环境中的控制提供了有力的依据。     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

重力场对轴对称体稳定空泡形态影响的实验研究

水下超空泡航行嚣的空泡几何形状对航行嚣的受力状态与航行性能关系重大，在水洞模型超空泡实验中发现重力场是影响空泡几何形状的主要原因之一．该问题此前虽有文献挺及，但未见有具体阐述。为此专门开展了在不同佛汝德数下对不同头型的轴对称体模型空泡几何特性的实验研究。实验中获得了大量变形空泡的录像，并对空泡的外形进行了定量处理，对实验结果进行了定性与定量分析，获得了重力场对轴对称体空泡几何形状影响的规律性结果．同时对重力场影响空泡形变的机理作了探讨分析。     

超空化航行体前部外径对空泡影响的研究

文章基于CFD技术和水洞试验,对超空化航行体通气装置外径尺寸对空化流场的影响进行了研究.数值计算结果表明:航行体的前部外径对航行体超空泡的生成和形态有重要影响,若Rw取值偏大将会使空化流场出现空化不连续现象,甚至改变超空泡的脱体边界.文中以数值计算结果为依据,建立了航行体超空泡可以正常生成的航行体前部外径最大临界值公式.同时设计了三个航行体头部模型在水洞实验室进行了实验研究,实验结果验证了所建立公式的正确性,文中结论为进一步研究人工通气超空化奠定了基础.     

超空泡航行体加速段控制设计

为研究超空泡航行体在加速阶段动力学建模及稳定控制设计问题,根据空泡截面独立膨胀原理研究了空泡形态及其轴线的偏移,并考虑了空泡记忆效应、重力、空化器定向效应及航行体攻角的影响.采用细长体理论计算了超空泡航行体各区域的流体动力,建立超空泡航行体加速段纵平面内运动数学模型,设计了基于输入输出精确线性化的深度跟踪控制器,并对此进行数学仿真.仿真结果表明:控制器跟踪效果良好;滑行力在极短时间内变为零,有利于提高航行体的稳定性及减小部分沾湿区的摩擦阻力.     

超空泡航行体尾舵展开过程水动力载荷数值研究

超空泡航行体全沾湿航行阶段尾舵展开过程的流体动力载荷对于航行体稳定性分析以及尾舵机性能设计具有重要影响。建立了基于重叠网格技术和网格域间相对运动思想的尾舵展开过程数值计算方法;结合超空泡航行体设计需求,研究了尾舵不同展开速率、不同攻角状态展开以及尾舵展开前后的水动力载荷变化规律;通过对尾舵附近速度矢量场、压力场以及尾舵表面压力系数分析,揭示了尾舵不同状态的流体动力载荷变化原因。研究成果对超空泡航行体尾舵展开过程流场特性研究具有重要参考价值,同时为尾舵机性能设计提供了重要设计依据。     

Study on the trajectory prediction curves of supercavitating vehicle

In order to understand the laws of motion for supercavitating vehicle better, simplified equations for longitudinal motion of supercavitating vehicle were derived. Then the corresponding simulation software for trajectory of supercavitating vehicle was programmed, by which the theoretical predicted trajectories of the supercavitating vehicle at different velocities were obtained. It was found that the predicted trajectories at low speed and without cavitation on the vehicle in theory agreed well with those in experiments, and the theoretical predicted trajectories at high speed and with supercavity on the vehicle correctly reflected the motion laws of the supercavitating vehicle. The influences of various parameters of cavitator and rudder on the underwater trajectory were compared and analyzed, which can provide a guide for the design of hydrodynamic distribution and gross parameters of the supercavitating weapons.     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

Motion stability and control of supercavitating vehicle with variable cavitation number

Cavitation number and speed are capable of variation during the motion of supercavitating vehicle underwater,for example,under the condition of accelerated motion stage and external disturbance.The dynamic model and control challenge associated with the longitudinal motion of supercavitating vehicle with variable cavitation number and speed have been explored.Based on the principle of cavity expansion independence the properties of cavity and the influence on planning force of body were researched.Calculation formula of efficiency of the fin was presented.Nonlinear dynamics model of variable cavitation number and speed supercavitating vehicle was established.Stabilities of the open-loop systems of different situations were analyzed.The simulations results of open-loop systems show that it is necessary to design a control method to control a supercavitating vehicle.A gain schedule controller with guaranteed H∞ performance was designed to stabilize the dive-plane dynamics of supercavitating vehicle under changing conditions.     

基于信息熵的水下航行器灰色评估方法研究

利用信息熵具有客观性、确定性的良好特性,应用灰色聚类评估方法,结合水下航行器系统的自身特点,提出了基于信息熵的水下航行器灰色评估方法,解决了水下航行器传统评估方法中主观因素的干扰问题,提高了评估方法的客观性和可信性,为水下航行器系统的效能评估研究提供了一种新方法。采用该方法对水下航行器3种型号实例系统进行了应用分析,结果表明,该方法正确、可行,解决了存在的问题。可用于水下航行器系统的发展论证及实际应用,为水下航行器系统的设计、研发和使用提供了科学的理论决策依据。     

一种用于AUV导航控制软件开发与系统测试的半实物仿真系统

设计并完成了用于自主水下航行器(AUV)导航控制软件的开发与系统测试的半实物仿真系统。该半实物仿真系统由实时仿真计算机和真实的导航控制计算机构成,实时仿真计算机完成AUV空间运动的实时积分解算,并利用多功能数据采集卡和串行通讯端口模拟AUV导航控制系统中的传感器和操舵机构的工作,为导航控制计算机提供全真的软硬件工作环境,使开发人员在此基础上能够完成导航控制软件全部功能的开发,并进行全面、有效的系统级软件测试,具有非常高的工程实用价值。尤其在实航试验中,可以立即在现场对修改后的导航控制软件进行测试,极大地降低了由软件修改带来的试验风险。     

超空泡运动体强度与稳定性的非概率可靠性分析

超空泡运动体在水下高速运动时,所受的轴向力非常大.考虑到结构自身参数的不确定性,有必要对运动体结构进行强度和稳定性可靠性分析.给出运动体圆柱薄壳结构强度和失稳安全余量方程,并将结构的可靠性分析由强度和稳定性两失效模式组成的串联系统来模拟.针对运用结构非概率集合可靠性模型计算非概率失效度时的复杂性,提出运用Monte-Carlo法计算多维非线性安全余量方程及串联系统的失效度.分析了不同空化器锥角时的圆柱薄壳结构强度、稳定性和串联系统非概率失效度随速度的变化趋势及它们三者之间的关系,并且验证了在结构样本数据缺乏的情况下,非概率区间可靠性算法所得的结果要比概率可靠性的结果安全.     

基于连续小波变换的湖底回波特征提取

提出了以多尺度连续小波变换值矩阵的奇异值作为识别特征矢量的方法,并利用该方法对湖底回波实测数据进行特征提取与分类。理论分析与仿真试验结果表明,相对于时间-小波能量和尺度-小波能量特征提取法而言,该方法可得到更好的类内紧致性和类间可分性,以及更佳的分类效果。