潜艇上浮运动数值计算方法的研究与验证

预报潜艇上浮运动是探索研究潜艇上浮运动控制规律以及潜艇安全上浮的前提。就潜艇上浮运动的数值计算方法和计算流程进行了详细介绍,对数值计算方法中的湍流模型及离散格式等进行了优选。基于模型上浮试验结果,对数值计算的不确定度进行了分析且对数值计算结果进行了验证。证明了该数值计算的可靠性,并发现数值计算结果与试验结果很接近,验证了该数值计算方法的可行性,说明该数值计算方法和试验可为潜艇上浮运动的研究提供参考和借鉴。     

潜艇应急上浮机动不稳定性建模与仿真

为了避免潜艇在应急上浮过程中,由于较快的上浮速度以及较大的负攻角,水动力呈现强非线性,在横向流作用下潜艇可能产生过大的横倾角甚至失稳倾覆.基于艇体水流入射角和方向角定义下的潜艇非线性水动力描述形式及其试验结果,采用一种新形式的大攻角非稳态潜艇操纵运动仿真数学模型,对高压气吹除主压载水舱后潜艇应急上浮过程的运动状态进行预报.采用拉瓦尔喷管理论对高压气吹除主压载水舱的热力学过程进行建模,并将该过程计算得到潜艇所受的复杂激变力作为潜艇操纵运动仿真数学模型的控制输入,计算结果表明:相较于高压气吹除指数模型,采用的拉瓦尔喷管模型能更为真实地反映实艇高压气吹除过程,对潜艇应急上浮机动的运动状态预报更为准确.应急上浮过程中快速造成较大的尾倾角有利于抑制横倾角的增大,且横倾角主要受水舱吹除顺序的影响,受初始深度的影响较小.根据潜艇事故工况下的初始状态制定有效的高压气应急吹除挽回策略,是抑制应急上浮横倾角的主要手段.     

潜艇上浮出水运动及粘性流场直接数值模拟方法

为得到潜艇上浮出水运动及流场特性,以带流水孔柱形潜体为研究对象,基于RANS方程及SSTk-ω湍流模型,并应用重叠网格技术实现了不同工况下潜体上浮的直接数值模拟,获取了模型上浮过程中横倾、纵倾及上浮速度等参数的时历曲线及流场细节信息。研究结果表明:该方法较合理地反映了潜体的上浮运动规律,能够直观展现潜体出水及倾覆过程,可为潜艇上浮出水稳性的预报及分析提供可行途径。     

潜艇舱室进水时应急挽回过程中的横摇运动

通过分析潜艇应急操纵情况下的横摇运动方程,提出了影响潜艇横倾变化的因素。然后,对不同事故状态下的舱室进水事故进行了数值仿真,确定采取不同挽回措施时潜艇运动状态的变化规律,验证潜艇状态参数对潜艇横倾变化的影响规律,并提出了减小应急上浮过程中横倾威胁的方法,以防止潜艇应急挽回过程中出现横摇、"枯叶"上浮现象。     

破损潜艇应急起浮操纵控制研究

在建立高压气应急吹除模型的基础上,通过计算机模拟仿真对高压气吹除过程中计算型潜艇应急上浮的主要参数进行计算和分析,给出了艏部破损和舯部破损时操纵安全界限图中的进水限制线,提高了潜艇应急上浮操纵的安全性.     

潜艇动力抗沉过程姿态和运动规律预报研究

为了解决潜艇动力抗沉过程运动特性预报难和准确性不高等问题,在建立动力抗沉应急操纵模型基础上,首先研制了潜艇动力抗沉姿态预报系统;然后,通过大量数值仿真得到了各种工况下潜艇运动特性和姿态变化规律。这些规律和结论可为潜艇指挥员快速正确决策提供理论依据和指导建议。     

潜艇集体逃生舱上浮水动力性能

针对潜艇集体逃生舱上浮过程的水动力问题,建立了典型集体逃生舱水下运动的数学模型,并重点对其释放后的上浮速度进行了数学仿真计算。然后,根据该流场的特点,合理选择求解条件,利用Fluent软件进行仿真分析。两种计算方法的结果吻合较好,结果表明:该集体逃生舱水下运动数学模型是正确的,其稳定上浮速度较大,在设计中应当进行控制。     

DARPA2潜艇模型定常流动 黏性流场和水动力计算

为了进一步验证SA湍流模式模拟分离流动问题的能力,采用SA(C_υ=30)湍流模型,数值求解定常不可压缩的RANS方程,计算DARPA2潜艇模型定常流动黏性流场和水动力;速度-压力耦合采用SIMPLE方法处理,对流项采用二阶迎风格式,隐式迭代求解方程组。得到的数值计算结果与实验值符合较好。潜艇不同部分对水动力的贡献及受攻角的影响是不同的,升力系数随攻角的增加,艉附体的作用明显增强,而指挥台的作用不是很明显;指挥台和艉附体分别存在时,水动力系数随攻角变化的趋势与全附体时是一致的,曲线不存在奇异性变化。     

潜艇高压气吹除主压载水舱应急挽回的运动规律和控制策略

针对潜艇高压气吹除压载水舱应急挽回姿态控制难题,以吹除高压气和压载水舱中压力气体为研究对象,推导并构建了高压气吹除和压载水舱解除气压数理模型。结合潜艇应急挽回数学模型,对潜艇发生破损进水事故的应急挽回过程进行数值仿真,分析了某潜艇事故采取3种不同挽回方案条件下潜艇运动姿态变化规律。研究结果表明：所构建的数理模型能较好描述潜艇应急挽回姿态变化规律,为潜艇应急挽回运动规律预报、潜艇运动状态实时评估和姿态控制方案制定提供理论依据和技术支持。     

水下航行体惯性类水动力系数的计算方法

为了系统地计算水下航行体全套惯性类水动力系数,提高计算效率和计算精度,通过基于无粘模型的计算方法对水下航行体的运动进行了预报;通过UDF及动网格技术,对匀速运动和匀加速运动的SUBOFF模型进行了分析.设计了单方向速度线性变化的匀加速直线运动和匀加速回转运动,并通过换算和数值拟合处理得到了潜艇所受的惯性力和惯性类水动力系数.该系数与试验误差保证在6％之内,验证了所提方法的可行性及准确性.     

潜艇动力抗沉运动特性分析

采用潜艇垂直面操纵性运动方程、破损舱进水方程和压载水舱排水方程联立构成的潜艇动力抗沉运动方程,研究了2艘不同吨位潜艇的损管特性和动力抗沉运动,其中动力抗沉运动计算包括单独高压气吹除和高压气吹除加操上浮舵2种情况,并讨论了单独高压气吹除、高压气吹除与操舵联合作用的抗沉效能,从而明确了操舵在动力抗沉中的作用。通过对两艇的仿真计算结果的讨论与分析,并用动力不沉性指数Ka定量地评估了转舵在潜艇动力抗沉中的作用。计算结果表明,潜艇中、首部隔舱破损时,转舵在动力抗沉中效能显著,尾部隔舱破损时效能不明显,甚至作用相反。     

全附体潜艇模型回转运动流场数值模拟

为研究潜艇的回转运动,在RANS方程中引入旋转坐标系科氏力和艇体惯性离心力,并采用分块结构化网格技术,对全附体潜艇模型回转运动的流场进行了CFD数值模拟。首先,推导了旋转坐标系下流场计算的控制方程,给出了科氏力和艇体惯性离心力的表达式,并将其引入到动量方程中;然后,采用RNGk-ε湍流模型以及用户自定义函数方法设置了计算边界条件,数值模拟了全附体潜艇模型(DRAPA SUBOFF)的操舵定常回转运动流场;最后,分析了所计算流场的速度、压力和涡的分布及形态,分析表明计算结果符合其规律性。     

水下发射循环管路系统水动力性能的仿真分析与验证

为了控制闭式循环管路系统内高压水的脉动规律、降低水下发射系统的瞬态发射噪声,需对水动力进行准确的建模和分析。首先,模型中引入了活塞运动加速度项,采用一维解析方法建立了管路系统的水动力模型;然后,运用该模型分别对活塞运动低、中、高三种不同速度工况进行了仿真计算分析,得到了发射过程中不同特征测点处流体脉动压力曲线,并与假海试验平台原型样机模拟发射实验的测量结果进行了对比,结果表明二者吻合较好,由此验证了水动力模型的正确性与通用性。     

超远程弹箭降弧段动力平衡角的快速计算方法

针对超远程弹道的快速计算问题,研究了降弧段动力平衡角的快速计算方法。首先根据动量定理和动量矩定理,建立了适用于高空且考虑气动力非线性和几何非线性的弹箭角运动方程。使用摄动法推导了考虑非齐次项影响的角动量矩方程和角动能方程。分别在线性和非线性静力矩条件下分析了攻角平均幅值的角动量矩和角动能表示,从而建立了缓变变量的攻角幅值计算模型。算例计算结果表明,该方法和与六自由度刚体弹道模型的计算结果符合较好,并且因计算过程中各变量变化缓慢,可使用较大的计算步长,由此可使用该方法建立超远程弹道的快速计算模型。     

基于角反射器的诱扫主动攻击水雷方法

针对现有对抗主动攻击水雷方法的不足，根据主动攻击水雷工作特点，提出了利用串联角反射器模拟潜艇声反射，结合声扫雷具模拟潜艇声辐射，联合诱骗主动攻击水雷的方法。建立了模拟潜艇声反射强度计算模型，给出了从声反射强度及尺度特征方面模拟潜艇特征的方法，并进行了初步验证。为便于使用及提高对抗效率，对角反射器的类型、边长及构造进行了深度优化，显著提高了对抗主动攻击水雷时的效率，证明了该方法的有效性。     

不同攻角下AUV回收过程中的水动力规律

通过对AUV(Autonomous Underwater Vehicle)回收过程中运动规律的研究和对纳维—斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)及其求解方法的分析,基于CFD(Computational Fluid Dynamics)理论建立了AUV回收运动的三维计算模型,并使用CFD软件完成其物理模型的建立、网格的划分及求解设置。在此基础上对AUV回收过程中的阻力、升力干扰进行分析计算,得到不同攻角下AUV所受到的水动力干扰与AUV和回收平台之间距离的相互联系。     

粘性流中的近水面三维水翼水动力特性数值分析

采用有限体积法、RNGκ-ε湍流模式对二维及三维水翼近水面航行水动力进行了数值模拟,并与模型试验结果进行了比较分析.结果表明:当水翼浸深与弦长之比大于1时,数值计算方法与试验结果一致,且三维计算精度略高于二维.初步研究了NACA2410水翼在粘性流中近水面航行时升力、阻力特性随攻角、浸深、速度变化的规律,指出该型水翼以...     

潜艇操纵运动模型简化及仿真研究

潜艇运动为六自由度空间运动,具有强非线性和耦合性。针对运动预报、仿真及控制器设计等不同需要,建立兼顾准确、简洁的操纵运动模型十分重要。对潜艇运动标准方程进行简化,分别建立空间运动模型、平面非线性模型及平面线性模型。经过仿真和特征参数计算,验证了简化模型的合理性。通过比较分析,给出了不同机动条件下用于运动仿真和控制器设计的模型选用建议。     

考虑几何及力和力矩非线性时弹丸运动方程的研究

从矢量形式的六自由度弹丸运动方程组出发,推导出了在全部力和全部力矩作用下考虑几何非线性及力和力矩非线性时的弹丸运动方程组,并导出了其用于数值计算的柯西标准形式,得到了攻角和进动角的计算表达式.此动力学模型可用于弹丸大攻角飞行时的弹道计算及某些灵巧弹药(如末敏弹)的设计.     

运动潜艇的感应电场分布

采用相对论电磁变换法计算了单个磁偶极子匀速运动时产生的感应电场三分量。利用沿圆柱表面排列的磁偶极子阵列近似模拟潜艇的磁场分布,通过对磁偶极子阵列运动感应电场三分量的积分运算,得到了潜艇运动感应电场的分布规律,解决了由高斯定理计算感应电场因电场方向不同难以进行积分运算的难题。利用海水中布放的传感器,实际测量了运动潜艇模型的感应电场,测量结果验证了所提出的感应电场计算方法的正确性。