侧滑角对超空泡航行体转弯运动沾湿区域的影响

为了提高通气超空泡航行体在转弯运动过程中空泡和航行体的运动一致性,基于有限体积法和VOF多相流模型,采用动态网格技术对航行体转弯运动的空泡形态特性进行了非定常数值模拟研究。通过对航行体沾湿区域的分析,揭示了沾湿区域形成的原因,利用空化器对空泡轴线的定向效应,提出了合理改变侧滑角减缓沾湿区域出现的具体方法。通过分析侧滑角和侧滑角速度对航行体沾湿区域的影响,提出了超空泡航行体转弯运动过程中,在给定偏航角条件下避免出现沾湿区域的侧滑角和侧滑角速度的适用范围,为进一步研究超空泡航行体机动运动问题提供参考。     

基于空泡记忆效应的水下超空泡航行体建模与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,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定向效应和空泡上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了一种更精细的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,仿真结果表明实现了系统在一定初始扰动下的稳定控制。     

基于水洞实验的超空泡形态的动态估计研究

针对超空泡航行体运动控制中的超空泡形态的估计问题。该文以超空泡航行体模型的水洞实验数据为依据,获得了空化器在运动过程中的超空泡的内、外压力和形态数据,然后使用强跟踪滤波算法对这些数据进行处理,得到了超空泡形态的动态估计算法。结果表明,得到的超空泡形态的估计值与测量值之间的误差满足超空泡航行体的稳定控制的要求,证明了该文得到的超空泡形态估计算法的正确性。     

航行体加速运动对空泡形态影响研究

基于均质平衡流理论,采用Mixture 多相流模型,通过设置来流速度边界条件随时间的变化,并考虑动坐标系流体体积力,在动量方程中加入源相,实现了超空泡航行体加速过程的数值模拟,得到了航行体加速运动,自然超空泡与通气超空泡形态变化规律.结果表明:航行体加速运动达到匀速状态速度相同的条件下,自然超空泡滞后时间随着加速度减小而减小;在加速度相同的条件下,空泡滞后时间随着速度的增大而减小;航行体加速运动引起通气超空泡形态连续脉动.     

圆盘空化器航行体入水空泡实验研究

针对圆盘空化器航行体入水空泡问题,开展约束航行体姿态的实验研究。实验研究了入水局部空泡、空泡正好闭合在航行体尾部及入水超空泡的生成、发展与倾斜入水下的空泡流动特性。分析了空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了入水空泡长度的变化规律,探讨了实验获得各种空泡流动形式的流动机理。结果表明,入水局部空泡长度在深水闭合之后有微小增加,空泡最终以云状空泡形式脱落溃灭。当空泡正好闭合在航行体尾部时空泡极易形成回射流与航行体及空泡尾部相互作用,影响空泡尾部流动形式。入水超空泡有较好的稳定性。倾斜入水空泡易受重力影响,空泡尾部上飘,导致航行体尾部与空泡的相互作用下的空泡拉断。倾斜入水空泡内气体弹性效应更加明显,空泡壁面出现波形,空泡长度发生振荡。     

时滞超空泡航行体复杂控制系统设计

根据Logvinovich提出的空泡截面独立扩张原理,空泡某一截面的形状与空化器的运行轨道之间存在时延,进而使得超空泡航行体的非线性动力学模型存在时延（记忆）效应。针对超空泡航行体存在的时延特性,建立超空泡航行体纵向运动非线性时滞动力学模型,并对其进行复杂控制系统设计。分别设计前馈调节器及反馈调节器,前馈调节用于克服滑...     

变速超空泡航行体壳结构的动力响应分析

通过对变速超空泡水下航行体壳结构受力模型的分析,建立了恒定推力下航行体的平面运动方程,确定了变速过程中的阻力和冲击力。利用有限元方法,进行了结构响应计算,分析了减速过程中节点时域上的最大应力值在轴向的分布情况及典型节点处的响应。结果表明：航行体所需推力和所受应力较大,对其结构强度要求较高;运动过程中,节点时域上的最大应力在空间域上的极大值主要分布在首尾端部和柱壳中部;存在一些振动频率对航行体结构响应影响显著。结果对超空泡航行体壳结构受力和强度分析以及优化设计有着重要的指导意义。&;#61472;     

超空泡航行体阻力系数的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,仿真获得不同空泡形态下超空泡航行体的粘性阻力系数和压差阻力系数,利用这些系数,基于普通流线型航行体的阻力系数估算公式,进行重新拟合修正,形成超空泡航行体的阻力系数估算公式。将无空泡情况下的阻力系数估算公式代入自编的水下航行体弹道仿真软件,计算得到的超空泡航行体全沾湿状态下的水下弹道理论预报结果,与利用模型试验中的实测数据得到的弹道曲线一致性较好,说明数值模拟对超空泡航行体阻力系数的估算基本准确。     

周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响EI北大核心CSCD

利用滑移网格法,数值研究了周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响,通过上游两片水翼反向摆动使下游流场产生水平速度周期性变化的来流条件,分析来流扰动对航行体空泡形态及流体动力的影响。在周期性水平来流作用下通气超空泡截面发生颈缩现象,航行体易产生沾湿区域影响空泡减阻效果;分析了航行体在周期性来流扰动下的流体动力变化规律,发现当航行体被空泡完全包裹时,阻力呈现周期性波动,升力较小;当航行体被空泡局部包裹时,升力和阻力都会产生较大波动。通过沾湿面积比率分析周期性来流的波长和波幅对空泡形态的影响规律,为空泡在扰动环境中的稳定性研究奠定了基础。     

航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究

航行体水下垂直发射出水时空泡的脱落能够影响溃灭的压力以至结构的设计载荷,因此研究发射条件对空泡脱落和空泡状态的影响具有重要的意义。该文首先从回转体空泡脱落的特征出发,确认回射流是导致空泡脱落的控制因素,进而通过对空泡脱落的影响分析,提出回射流运动时间和航行体运动时间的比值大小能够作为空泡脱落和空泡状态的判据;接着对不同深度发射工况流场与空泡演化过程开展了系统数值模拟并与典型试验结果对比分析,验证并给出了该判据其在典型发射工况下的量化表达式;进而讨论了空化数、弗劳德数、深度、发射速度、泡内压力等条件对空泡断裂脱落的影响,给出了出水空泡溃灭时产生较强随机性高压力脉冲的发射区间。     

通气空泡重力效应三维数值仿真研究

超空泡形态对水下航行体的受力及操纵性有很大影响,大量通气超空泡水洞实验表明重力是影响空泡几何形状的主要原因之一.该文基于有限体积法,采用分相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,考虑了水-气两相间的相互作用及重力效应,对圆盘空化器以不同俯仰角运动时产生的通气超空泡进行了三维数值模拟.得到了重力对通气超空泡形态以及尾流结构影响的规律性结果.     

基于圆判据的超空泡航行体非线性控制研究

超空泡航行体在高速航行过程中大部分表面被空泡包裹,航行体尾部与空泡间相互作用产生剧烈变化的滑行力,该滑行力是导致航行体失稳的主要因素。由于航行体与空泡相互作用机理的复杂性,使得滑行力表达式存在很大的建模差异和参数不确定性,针对这一问题,该文首先通过一系列变换将系统模型表示为线性环节和非线性环节反馈连接的形式,然后基于圆判据定理给出了航行体绝对稳定的充分条件,并依据该条件采用状态反馈极点配置方法设计控制器。仿真结果表明,该控制器针对滑行力建模不确定性和参数不确定性的情况,可以通过合理配置闭环极点实现系统对不同非线性条件的绝对稳定。     

超空泡水下航行器直航弹道三通道控制与动态特性仿真

水下航行器在超空泡状态直航时,其运动模式和常规全沾湿水下航行器完全不同,为保证该模式下直航弹道的稳定性,提出对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚三通道进行特殊控制。从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,分析了其力学特性,建立了航行器三通道空间运动模型;采用空化器首舵和航行器尾舵对超空泡航行器直航弹道进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合。针对超空泡航行器直航三通道进行了动态特性仿真,仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控     

超空泡航行体尾部流体动力特性试验研究

在水洞中采用前支撑方式模型进行了通气超空泡试验,对不同的超空泡形态下超空泡航行体尾部阻力系数、升力系数及俯仰力矩系数的变化规律进行了研究,并对航行体有无攻角情况下的尾部流体特性进行了比较,获得了攻角对尾部流体动力特性的影响。研究表明,在空泡开始包裹到尾部天平时,随着空泡形态的增长,尾部阻力系数迅速下降,而升力系数和俯仰力矩系数则迅速上升。当空泡将航行体上表面包裹,而下表面沾湿时,阻力系数减小趋势变平缓,而升力系数和俯仰力矩系数则均到达峰值。当空泡完全包裹航行体时,升力系数和俯仰力矩系数迅速回落至零值附近,此时阻力系数在零值附近变化不大。攻角1度情况下的航行体尾部阻力系数减小幅度与无攻角时相比明显降低,最大升力系数和俯仰力矩系数均远大于无攻角情况。     

水下超空泡航行体非线性动力学与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,由于在超空泡状态下航行体几乎完全被空泡包裹,超空泡航行体的流体动力和稳定性和以往全沾湿航行体完全不同,同时航行体尾部与空泡壁作用产生的非线性滑行力的出现,这些都对水下超空泡航行体的动力学建模和控制策略提出了很大的挑战。文中分析了超空泡状态下航行体各部分所受的流体动力,提出了航行过程中尾翼效率的计算方法,建立了超空泡航行体非线性动力学模型,设计了非线性切换控制策略。     

水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究

利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验,并利用已有的经验公式得到了通气空化数,对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。研究表明,通气超空泡的长度和长细比都随通气空化数的增大而减小,航行体阻力系数则随长细比增大而减小。在流速恒定情况下,随通气率的增大,通气空化数逐渐减小,呈指数规律衰减。通气空化数越小,超空泡航行体的减阻效果越好,速度越大,超空泡减阻效果越明显。随通气空化数的减小,超空泡航行体尾部沾湿区域阻力系数也逐渐减小。     

超空泡航行体的增益自适应全程滑模控制器设计

超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时还存在着流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等不确定因素,这些都给航行体的稳定控制带来了困难。改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,设计了全程滑动模态面,采用自适应算法对系统不确定性及外界干扰上界进行了估计,设计了基于滑模理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明：该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

非定常通气超空泡分叉突变特性研究

针对非定常通气超空泡的不稳定性,采用分叉与突变理论分析通气超空泡失稳现象发生的机理。基于Logvinovich空泡截面膨胀独立性原理及通气质量平衡方程,得出联系非定常通气超空泡长度及空化数的积分方程。根据积分思想,将积分方程分解为两个第一类Volterra积分求解,得出线性小扰动系统,对静态分叉引发的状态突变进行定性分析,并通过数值仿真进行了验证。理论分析及数值仿真结果表明,非定常通气超空泡在平衡点处呈现的跨临界分叉将导致非定常通气超空泡在分叉点处产生突变。此现象揭示了稳定通气超空泡在临界值处改变通气参数所导致的空泡失稳的机理,有助于超空泡航行体稳定航行控制系统的设计。     

轴对称航行体通气超空泡的特性实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究。采用通气的方法在较低水速下(V=7m/s～15m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了不同空泡长度下的模型阻力系数。研究结果表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较模型上下表面的空泡长度,定量的给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响。当Fr>43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略。     

系统参数对超空泡航行体非线性动力学特性的影响

为保证水下超空泡航行体稳定地高速运动,在经典控制律的基础上,提出了一种新的控制律,并将之应用到超空泡航行体动力学模型中,通过动力学地图呈现了航行体尾翼偏转角、空化器直径随空化数变化的动力学行为,运用分岔图进一步探讨了超空泡系统的动力学特性,并采用数值仿真、相轨图和Lyapunov指数谱等非线性分析工具分析了航行体在不同参数下的运动状态。研究结果表明,随着尾翼偏转角、空化器直径和空化数的变化,超空泡系统的运动状态会在稳定航行、周期振荡和混沌振荡之间切换。当航行体参数不变,初始的深度、垂直速度、俯仰角和俯仰角加速度不同时,系统能体现瞬态周期、瞬态混沌和运动状态转移等非线性运动特性。研究结果将对超空泡航行体稳定控制有指导意义。