尾空泡对水下航行体流体阻尼力影响数值研究

针对航行体尾空泡对流体阻尼力影响问题，结合动坐标系技术和空泡多相流数值模拟方法，通过求解雷诺平均的NS方程组，进行了阻尼力计算研究。通过与试验数据对比，表明该方法具有较好的精度。数值计算研究表明，尾空泡会削弱航行体尾部压力的不对称性，使航行体尾部流体阻尼力减小。当尾空泡增加到一定尺寸时，流体阻尼力减小幅度逐渐趋缓，同时尾空泡也改变了流体阻尼力随攻角的变化趋势。研究充分表明了航行体流体力设计中考虑尾空泡影响的必要性。     

考虑压缩性影响的超空泡流动数值计算

为了研究水下航行体航速接近水中声速时水的可压缩性对超空泡外形的影响,采用理想可压缩流体定常流动以及Riabouchinsky空化封闭模型,基于势流理论和有限体积方法,对绕圆盘空化器的超空泡流动进行了数值计算.计算时考虑到水的压缩性,水的状态方程采用Tait幂次率.提出了一种新的超空泡外形迭代方法并分析了流体压缩性对超空...     

细长锥型射弹不可压缩超空泡流的数值计算方法

假定理想不可压缩流体呈无旋定常流动、起空泡尾部Riabushinsky为闭合方式,基于水动力学势漉理论及细长体理论.建立了描述水下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程.谊方法发展了求解谊类方程的数值离散方法,提出了多种超空泡外形初值解.分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始遮代条件.计算得到的...     

超空泡体结构响应问题的有限元分析

超空泡体在水下高速航行时要受到冲击载荷的作用,这对其结构是不利的。用有限元方法分析计算了冲击载荷作用下超空泡体的结构响应,数值计算结果表明,超空泡体在一定频率下引起的结构响应非常显著,且随着频率的升高响应幅值有减小的趋势。     

超空泡航行体锥形空化器优化设计

分析比较超空泡外形计算的不同经验公式,结果表明Guzevsky模型具有较好的精度与适用范围。建立了以减小阻力、增大空化数、增加舱内容积为优化目标的超空泡航行体锥形空化器设计模型,以权重因子法和遗传算法求解了优化问题,验证性计算结果与已有文献吻合。研究了空化数、航行体长径比等因素对超空泡航行体空化器设计的影响规律,结果表明空化数是影响航行阻力的首要因素,空化数决定了超空泡长径比并使之与航行体外形匹配,通过优化设计能够在不增加阻力的情况下有效提升航行体舱内容积。     

超空泡射弹动力学建模与仿真

射弹高速运动时产生的尾部开式超空泡将改变弹体受力形式及运动稳定性.针对超空泡射弹的特殊运动模式,考虑弹体与空泡壁面的相互作用,建立了射弹动力学模型,提出了数值仿真耦合算法,给出了不同初速下的弹道仿真算例,并计算了射弹尾拍力.结果分析表明,射弹速度随时间呈指数形式衰减,弹体姿态角、角速度及尾拍力周期性往复变化,同时尾拍力随着空泡尺度缩小而减小.较小的初速度使尾拍力提前出现.研究方法与结果为开展射弹结构及弹道散布研究提供理论基础与研究手段.     

超空泡航行体双层壳结构动力稳定性分析

针对超空泡航行体轴向受力特点,建立超空泡航行体双层壳结构有限元模型,对结构动力稳定性进行分析.数值计算表明,当壳间实肋板厚度增大或环向肋骨数量和尺寸增加时,动力失稳区域整体下移,不稳定激发频率下降,失稳区域宽度减小幅度较小;当壳间间距减小或纵向肋骨数量和尺寸增加时,双层壳结构动力不稳定激发频率上升,动力失稳区域宽度较大...     

超空泡水下航行体振动特性分析

用有限元方法分析了超空泡水下航行体的固有特性,计算了自由边界条件下超空泡航行体的振动特性,求出了固有频率和模态,并选取对其结构性能有重要影响的四类模态,即梁弯曲模态、呼吸模态、径向模态和轴向弯曲模态绘制了三维模态图.研究表明,超空泡水下航行体无阻尼自由振动的首阶模态为梁弯曲模态;呼吸模态发生的初始频率较高;径向模态发生的初始频率较低;轴向弯曲模态发生的频率比较集中,变形较为复杂.所得结果为今后开展进一步的超空泡航行体结构动力学研究提供了模型基础.     

超空泡航行体深度跟踪串级控制策略

针对空泡与航行体之间非线性滑行力导致的超空泡航行体稳定性问题,提出了基于圆判据理论和Nelder-Mead算法的超空泡航行体深度跟踪串级控制方法。介绍了超空泡航行体数学模型以及圆判据定理基础知识。结合模型特性推导了超空泡航行体串级误差状态方程,利用圆判据定理研究了内环绝对稳定性。通过Nelder-Mead算法对内环反馈参数进一步优化。仿真分析结果表明：所提控制方法便于反馈参数整定,可以充分利用超空泡航行体的控制量实现深度跟踪。     

无尾舵布局超空泡航行体弹道优化设计

给出了无尾舵布局超空泡航行体在纵垂面内的受力分析及运动方程,建立了变深度机动最优轨迹问题的数学模型。针对空泡扩张与收缩带来的延时效应,提出改进的延时型高斯伪谱法,利用所有高斯节点的运动状态插值获得整个运动过程的状态量,由此得到各个时刻的实时超空泡航行微分方程。通过计算各节点处运动方程约束,对其变深度机动轨迹进行数值求解,得到相应的优化弹道结果及控制策略。对给定布局方案的超空泡航行体下潜机动最优弹道问题进行求解,计算结果表明,采用空化器偏转控制策略,无尾舵布局超空泡航行体可满足运动稳定性与机动性要求,所提出的延时型高斯伪谱法能够处理超空泡航行弹道优化中的延时效应,具有较好的快速收敛性。     

波浪作用下水下航行体出水成功概率预报

为了实现实测波浪作用下水下航行体出水成功概率预报,为潜艇作战提供一种水下发射的快速预报方法,基于边界元方法建立了水下航行体出水姿态计算模型,对不同波浪条件下水下航行体出水姿态参数进行了计算。同时,将不同波浪条件下的出水姿态参数进行集成,形成了规则波浪数据库。以渤海湾某时间段的实测海况作为发射环境,建立符合瑞利分布的波高概率分布模型,将尾部触水俯仰角作为判定条件,对实测波浪下水下航行体出水成功概率进行预报。计算结果表明,在考虑最恶劣工况下,相对于静水条件下的出水俯仰角偏差随着波高的增加而减小;相同波高下,受到出水相位的影响,出水俯仰角偏差呈余弦变化规律。该预报方法对于潜艇作战判定发射时机具有一定参考价值,为水下发射的成功概率预报提供参考。     

液体火箭发动机尾喷焰红外辐射特性

对液体火箭尾部喷焰红外辐射特性进行了仿真计算。利用所扩展建立的液体火箭发动机尾喷焰红外辐射组分的谱带参数数据库和尾喷焰流场数值仿真结果对辐射传输方程进行了数值求解,得到不同观测条件下的光谱辐射亮度。通过与实测数据对比,表明计算方法可行,结果合理。     

通气空泡与超音速尾喷流耦合作用实验研究

基于开放式水洞,构建了通气空泡与超音速尾喷流耦合作用实验系统。设计了四种可变长度实验模型,重点研究射流与通气空泡相对位置对空泡射流耦合作用机理的影响。针对不同外形实验模型,改变通气流量和射流流量,获得了不同工况下空泡界面瞬态演化规律。通过实验,观察到射流完全补气、射流部分泄气、射流完全泄气三种不同耦合作用模式。进一步结合实验数据和Paryshev理论分析,建立了不同模式下临界转变条件和空泡尺度计算模型。当≤0.1 时,空泡长度可用经典空泡经验公式来描述;当0.1<<1.5 时,空泡长度分为模型长度和尾部空泡长度两部分,而尾部空泡长度只与无量纲动量比有关;当 ≥1.5时,空泡闭合在喷管出口,空泡长度与模型长度相等。     

超空泡航行体刚柔耦合动力响应有限元分析

考虑航行体大范围转动,根据哈密顿原理推导了超空泡航行体在一次近似模型变形下的刚柔耦合动力响应方程,定性分析了其与零次近似模型下方程的区别,并对方程进行了定量计算。结果表明:一次近似模型相比零次近似模型下的横向振动方程,刚度矩阵项增大;所推导方程能够用于定量分析和直观描述超空泡航行体刚柔耦合下的变形。     

势流理论的一种数值方法在空泡形态中的应用

基于势流理论的假设,采取常规边界元法对具有自由面的定常平板和轴对称空泡流动数值方法进行了研究,运用Riabourichinsky镜像空化模型,建立了一种空泡自由面求解的优化迭代方法,以自由流线长度为参数求解模拟了定常无重工况下流经二维平板和轴对称圆盘的空化流动.数值计算结果与解析解的相对误差不超过3%,证实了轴对称体空泡外形的近似回转椭球体假说在空化器附近是不成立的.计算结果与同类文献数据的对比显示了边界元法进行空化流场计算具有着显著的优越性,所采用的迭代方法精度高、收敛速度快,所得结论对深入了解空化特性具有参考价值.     

空泡形态的公式计算与CFD仿真

射弹在水下带空泡高速运动,实验研究存在诸多限制。因此应用两种方法对水下高速射弹的空泡形态及阻力系数进行了对比研究:一是应用CFD仿真软件进行仿真研究;二是应用基于空泡截面独立扩张原理建立的公式进行理论分析。研究表明:仿真计算结果与公式计算结果吻合很好。在小空化数下,空泡前部形状基本不变,随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大。研究结果可为射弹的设计提供有益的参考。     

某两栖车绕流场数值模拟研究及外形优化分析

运用多块混合网格,采用RNG湍流模型、流体体积法(VOF)和PISO算法对某型两栖侦察车带自由表面的粘性绕流场进行了数值模拟研究,数值方法采用相关试验数据进行了验证,误差在9%以内.针对模拟结果显示的影响其水动力特性的主要结构部位和外形参数进行了优化,并计算分析了轮穴、车体切角、车轮状态以及车首导流板对两栖车航行性能的影响.计算结果表明,改进后的车体绕流场特性得到了较大的改善,航速10km/h时减阻效果可达原车总阻力的69.2%,有效地提高了某型两栖侦察车的航行性能.     

高速水下射弹空泡形态及其CFD分析

射弹在水下空泡形态高速运动,实验研究存在很多限制。本文应用两种方法对高速水下射弹的空泡形态及阻力性质进行了研究,一是应用CFD仿真模拟软件,二是应用基于空泡截面独立扩张原理所建立的公式。研究表明：仿真计算结果与公式计算结果吻合很好;随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大;在小空化数下,空泡前部形态基本不变,阻力系数主要为压差阻力系数,其值基本不变。研究结果为射弹的外形设计提供参考。     

超空泡航行体有限元动力学建模

为对超空泡航行体结构进行优化设计和安全评估,将其简化为两端自由的梁,在空泡形态和受力确定的基础上,利用哈密顿原理,推导出了运动和变形耦合动力学方程组,建立了有限元模型。利用模态法和纽马克法对横向振动方程进行了求解,并对耦合、无耦合的方程进行了定性定量的比较分析。结果表明:耦合转动角速度增加了高频的波动;由于航行体自身刚度和固有频率较大,转动对它们的响应影响较小。     

计及航行纵倾变化的穿浪双体船阻力预报新方法研究

针对穿浪双体船航行纵倾随航速变化较为明显的特点,结合薄船理论和帐篷函数法,提出了一种计及艇体航行纵倾变化的穿浪双体船阻力预报方法.通过对某型穿浪双体船阻力的计算结果与模型试验结果的对比,考核了该预报方法的有效性,并得出穿浪双体船片体间距变化对阻力的影响规律,即片体间距越大,其兴波阻力、总阻力越小.研究表明,该方法能提高穿浪双体船的预报精度.