回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

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 在条纹沟槽表面减阻的研究发展及其优点的基础上 对条纹沟槽表面减阻进行水洞实验,研究在航行器外表面加工条纹沟槽所具有的阻 力特性. 通过对光体、0.1mmV型条纹沟槽表面和0.2mmV型条纹沟槽表面3 种不同模型在零攻角、不同水流速度下进行阻力测量, 测得条纹沟槽表面减阻特 性曲线. 从特性曲线中可以看出减阻效果约为8.3%. 实验的结果表明, 条纹沟槽 表面能明显降低水下航行器的阻力.     

基于遗传退火算法的鱼雷外形优化设计

将基于实数编码的基本遗传算法与模拟退火算法相结合,建立了数值优化设计中的混合遗传算法。该算法既通过传统遗传算法的“优胜劣汰”操作保留了群体操作中的最优个体,又利用了退火算法的概率突跳性有效避免了问题求解陷入局部最小。本文还把混合遗传算法运用于鱼雷外形优化设计中,优化设计后的鱼雷流体阻力明显减小,压力分布曲线平缓,鱼雷的流体动力性能得到显著改善,表明改进的遗传退火算法运用于鱼雷外形优化设计是很有效的。在优化设计过程中,鱼雷线型由分段解析函数叠加表示,目标函数由二维欧拉方程的流场解提供。     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

泵喷推进器水动力及流场特性研究综述

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置, 由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成, 具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点, 最早于20世纪中叶在国外出现, 初期主要用于鱼雷推进, 后拓展到潜艇推进, 目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进, 国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异. 近年来, 因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等, 泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点. 泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高, 其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识. 本文介绍了泵喷的基本构成和特点, 按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状. 从水动力特性的角度, 介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律. 从流场特性角度, 介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等. 分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战, 提出对未来研究的展望.      

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

Spalding公式在脊状表面湍壁摩擦力测量中的应用

在低速风洞中来流速度一定的情况下使用IFA300恒温热线风速仪测量了光滑表面和两种不同尺寸的脊状表面湍流边界层平均速度分布剖面,并验证了试验段湍流发展的充分性;通过应用Spalding壁面公式使用最小二乘法精准拟合了实验测量的边界层内层速度分布曲线,得到了湍流边界层壁面摩擦速度并进一步求得湍流壁面摩擦应力,较准确地计算出脊状表面的虚拟原点位置,并通过与对数律公式拟合结果比较分析,证实了该方法更加准确有效. 最后分别计算了3种实验模型的湍流边界层动量损失厚度. 通过对比脊状表面与光滑表面动量损失厚度和壁面摩擦应力,反映了动量损失厚度的大小与壁面摩擦应力的大小具有一致性,充分证实了脊状表面在湍流中具有一定的减阻效果.      

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。

     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

一种分数阶混沌系统同步的自适应滑模控制器设计

针对分数阶混沌系统的同步问题, 基于滑模控制理论和自适应控制理论, 设计了一个具有较强鲁棒性的分数阶积分滑模面, 并提出了一种自适应滑模控制器在不消除非线性项的情况下实现一类三维分数阶混沌系统同步的方法. 利用所设计的自适应滑膜控制器实现了分数阶Chen系统、分数阶Liu系统以及分数阶Arneodo系统的混沌同步. 数值模拟仿真结果验证了所设计的控制器的有效性和可行性.