超高速水下航行器纵平面运动特性分析

超高速水下航行器运行于巡航阶段时，由于大部分表面被超空泡所包覆，其运动模式完全不同于常规的全沾湿水下航行器，表现出独有的运动特性。为了对超高速水下航行器实施深度和姿态控制，研究其纵平面运动特性是必要的。该文从超高速水下航行器流体动力产生的机理出发，分析了其力学特性，建立了航行器纵平面运动方程，分析了其欠阻尼运动特性，指出了运动控制中攻角不得超限的关键问题，给出了控制作用不能太强的建议，以上分析结论可为超高速水下航行器控制系统设计提供参考。     

小攻角对水下超高速射弹空泡形态的影响

基于混合密度函数,建立了空化流动的多相流CFD模型,并在商业软件Fluent6.0的框架下实现.采用二维求解器对零攻角超高速水下射弹的空泡流进行数值模拟,模拟结果与SCAV软件的计算结果吻合较好.在此基础上,采用三维求解器对非零攻角下空泡流进行仿真研究,分析了小攻角对水下超高速射弹空泡形态的影响.研究结果表明,攻角能够明显改变空泡形态的轴对称性,攻角越大,背流面空泡厚度越大,迎流面空泡厚度越小.     

超高速水下航行器航向控制方法

针对超高速水下航行器巡航阶段的超空泡运动特性及其具体运动条件下的特点,考虑发动机推力偏心会造成航向误差,建立了航行器水平面运动方程,分析了其欠阻尼运动特性,提出了基于比例积分算法的极限操舵方式对超高速水下航行器实施航向控制的方法,此类控制方法在确保航向准确性的同时保证了超空泡的稳定性,且简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明该方法的有效性.     

超高速水下航行器定深控制

超高速水下航行器巡航阶段的核心问题是定深控制问题,超高速水下航行器运行于巡航阶段时具有独特的运动特性。针对超高速水下航行器巡航阶段的运动特性及其具体运动条件下的特点,提出了使用极限操舵方式对超高速水下航行器实施直接深度控制以及通过姿态控制从而间接控制深度的2种深度控制方法,同时还对深度反馈信号的获取进行了讨论。本文提出的控制方法简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明了其有效性。     

水下航行器多推进器动力定位控制

主要研究远程低速水下航行器在大攻角和大侧滑角情况下不依靠舵而仅依靠垂推和侧推来实现动力定位,通过对水下航行器应用非线性控制方法实现水下航行器在纵平面内的爬潜定位和水平面内的旋转定位。分别建立水下航行器在攻角和侧滑角为90。的纵向和侧向在有2个垂推和2个侧推情况下的非线性运动模型,选用变结构控制方法进行控制,仿真并得到比较理想的效果。     

小攻角下超高速射弹的空泡形态特性分析

基于流体计算分析软件Fluent6．0,在零攻角下采用二维求解器对某口径超高速水下射弹空泡流进行数值模拟．并与该弹的水靶道试验结果进行了比较分析。符合较好,验证了计算模型与数值方法的正确性。在此基础上。采用三维求解器对非零攻角下射弹的空泡流动特性进行仿真研究,分析了小攻角对超高速射弹的空泡形态特性影响规律,为进一步研究水下超高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。     

大攻角水下航行体侧面空化特性的数值分析

为了考察水下航行体在大攻角下出现的侧面空化现象,建立了基于输运方程型空化模型和非线性涡粘湍流模式的空泡流数学模型和数值算法,自主开发了适用于复杂流场的三维空泡流计算程序,对水下航行体空泡流进行了数值模拟.计算得到了与试验一致的空泡形态,模拟出了实验所发现的大攻角航行体侧面空化的现象及其变化规律.航行体横截面内速度分布及...     

水下驻留无人水下航行器驻留过程建模与仿真

针对水下驻留无人水下航行器（UUV）的运动特点,建立了大攻角下UUV运动仿真的六自由度数学模型,提出了一种驻留UUV辅助推进器的控制方法,并对UUV驻留过程中的下潜运动进行了仿真研究。具体分析了UUV下潜驻留运动中攻角、侧滑角、速度、俯仰角等参数的变化规律。仿真结果表明：航行器的轴向速度在阻力作用下逐步减小,趋近于0;在辅助推进器的作用下,UUV下潜速度被限定在安全范围内,导致UUV攻角逐步增大,直至接近90°;在前后2个辅助推进器的作用下,航行器的信仰角始终被控制在合理范围内,从而确保UUV具有良好的着陆姿态。     

四旋翼碟形自主水下航行器运动方程建立与流体特性仿真研究

四旋翼碟形自主水下航行器（AUV）是一种新型水下航行器。为研究此航行器的流体动力特性,建立了四旋翼碟形AUV的三维模型,并定义了参考坐标系和广义特征参数;在其体坐标系中根据动量和动量矩定理,建立了广义参数定义的AUV六自由度动力学方程和运动学方程;采用计算流体力学方法,基于Ansys CFX流体分析软件,在的0°~90°攻角范围内,对航行器运动过程中的流体动力特性进行了仿真研究,并绘制了其特性曲线。仿真结果表明：在0°~15°攻角范围内,航行器具有较低的流体阻力,适宜做定深运动;在30°~50°攻角范围内,航行器具有良好的升力特性,适宜完成曲线潜浮运动。     

水下弹丸不同攻角流场特性研究

针对水下弹丸在不同攻角下的流场特性,基于Rayleigh-Plesset 方程、VOF 多相流模型,建立一种弹丸水 下运动过程的数值模拟方法。对比分析相同初速条件下,弹丸以不同攻角运动对运动过程中的空泡形态、流场演化 及受力特性的影响。结果表明：攻角越大,弹丸的空化效果越差,在运动过程中受到的升力和阻力也会越大,将严 重影响弹丸的水下弹道稳定性。     

水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中微气泡流形态及减阻特性的变化规律,利用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。试验过程中,基于自主设计的驱动装置,实现航行体绕其头部按正弦规律作俯仰运动。研究结果表明：当体积流量系数较小时,水下航行体运动过程中离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;水下航行体俯仰运动过程中,轴向力系数、法向力系数、阻力系数和升力系数的变化规律类似,均呈正弦变化规律,且其变化周期与攻角变化周期基本同步;对于不同体积流量系数下俯仰运动的航行体,随着攻角的增加,其阻力系数均呈近似线性增加规律,减阻率呈逐渐线性减小规律。     

水下航行体充气上浮仿真方法研究

为研究气囊展开对水下航行体充气上浮过程中的姿态变化以及运动轨迹的影响,提出一种多学科协同仿真方法。建立水下气囊的展开动力学模型,基于控制体积算法获得气囊充气展开过程的体积膨胀率曲线;在保持气囊体积膨胀率等效的条件下,建立可以同时耦合航行体6自由度刚体运动和气囊局部变形的水动力模型,并基于Navier-Stokes方程进行计算。通过仿真计算,得到水下航行体充气上浮的精细化过程,并获得水下航行体上浮时合力分量的时间历程曲线和姿态变化数据。结果表明：气囊的增浮作用能有效实现航行体的上浮回收;在上浮过程中,由于漩涡结构的不对称性使得航行体受到一定侧向力的作用,上浮时处于螺旋上升过程;上浮时,航行体会受到水流提供的竖向力作用,因此为加快上浮,上浮前应尽量调整航行体的攻角为正。     

拖缆对水下航行器的操纵性能影响

为探究拖缆对水下航行器的操纵性能影响,基于集中质量法建立了拖缆的动力学方程,利用边界耦合条件,将拖缆首端产生的张力影响计入水下航行器的六自由度运动方程组,建立了拖缆-水下航行器耦合运动模型。通过数值仿真计算,对比分析了拖缆对航行器直航、回转和下潜运动时的操纵性能影响。数值分析结果表明：航行器加装拖缆后,航行器在直航、回转和下潜运动时的速度有所降低;航行器回转运动时,拖缆会减小回转半径;航行器下潜运动时,拖缆降低了航行器的下潜稳定性,且减小了航行器弹道倾角的绝对值,增大了航行器达到预定深度的距离,同时由于航速降低,导致航行器达到预定深度的时间会增加,从而也降低了航行器下潜性能。     

自主水下航行器回旋运动总体参数敏感性分析

为研究总体参数变化对自主水下航行器回旋运动稳定性的影响,针对水下航行器回旋运动总体参数的敏感性进行分析。在建立水下航行器六自由度空间运动方程的基础上,运用MATLAB/Simulink模块对水下航行器的空间回旋状态进行了数值仿真,得到了水下航行器空间回旋运动的规律。对各总体参数,如浮力、重心浮心距、重心下移量、重心侧移量变化对水下航行器的回旋速度、回旋角速度、回旋深度、回旋空间运动等回旋特性的影响进行了数值计算及分析,结果表明:浮力变化对水下航行器运动特性影响不大,重心浮心距变化会使俯仰角发生变化,重心下移量增大会提高水下航行器运行的稳定性,而重心侧移量增大则会降低其稳定性。     

水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中,微气泡流形态及减阻特性的变化规律,采用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,在水洞中开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。基于该驱动装置,实现了航行体模型以正弦变化规律的角速度绕其头部转动;基于高速摄像系统,分析了微气泡流形态变化特性;基于测力系统,分析了俯仰运动过程中水下航行体流体动力特性及不同通气量下微气泡减阻特性变化规律。试验结果表明：较低通气量下,在水下航行体俯仰运动过程中,离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;随着通气量的增加,微气泡流密度逐渐增加,透明度逐渐降低,并最终融合成透明空泡;航行体俯仰运动过程中,其航行体轴向力系数和法向力系数基本呈正弦变化规律,且其周期与攻角变化周期基本同步;不同通气量下航行体轴向力系数的变化规律基本相同,均呈正弦变化规律,且随着通气量的增加,相同姿态下的航行体轴向力系数逐渐减低,并最终趋于恒定。     

水下航行器舱门开启过程仿真

针对水下航行器的舱门在开启过程中航行器外形会发生变化的情况,对航行器舱门开启过程的流体特性进行仿真分析。根据舱门开启过程的流体特性,将得到的流体系数作为航行器动力学方程参数的变化曲线,对舱门开启过程的运动进行了仿真,并给出详细的计算过程。仿真结果表明:该舱门开启过程设计合理,随着舱门的开启,虽然航行器的速度和攻角有所下降,但各物理量的变化幅度仍然在常规范围内,该方法为水下航行器存在外形变化时的运动仿真提供了思路。     

水下高速航行体的航向角和距离估计方法

为了提高反鱼雷鱼雷拦截成功率,实现其对水下高速航行体的航向角和距离估计尤显重要。该文立足于此,探讨一种对水下高速航行体的航向角和距离的估计方法。该方法可同时使用主被动声纳,对来袭水下航行体进行探测。主被动检测时采用初始轴向对准,检测装置直航,应用双周期检测法,可在极短时间内对水下航行体的航向角、距离和速度进行精确估计。文中给出了估计过程的运算公式,指出检测装置对目标方位的检测精度要求均方差不大于0.1°。对不同速度、距离时水下航行体的航向角和距离估计进行了仿真试验,结果表明,在航行体航向角小于35°,距离大于700m时,可得到理想的估计值。该方法对探索反鱼雷鱼雷检测装置的设计和对水下航行体参量的检测,探讨其拦截方法,具有一定的参考价值。