不同厚度航行器高速入水冲击载荷及壳体变形特性

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航行器撞水阶段壳体所受冲击载荷与变形的关联性,获取了壳体变形模式,并分析了壳体厚度对变形的影响规律。结果表明:壳体内凹大变形将增大航行器所受法向载荷,载荷峰值的脉宽虽为“毫秒级”,但对壳体变形具有较大影响。入水速度较低时,壳体变形模式以弹性变形为主,变形区域在上凹和下凸间不断转换,增大壳厚,结构主要通过减小脉宽来抑制变形;入水速度较高时,壳体变形模式以塑性变形为主,依次出现内凹区、拉伸区和卷曲压缩区,随形变量增大,拉伸区不断扩张,而卷曲压缩区不断后移,其中内凹变形受斜入水影响向y+方向偏斜,而卷曲压缩区在壳厚较小时出现S形卷曲对,增大壳厚,结构主要通过减小峰值来抑制变形。航行器斜入水内凹变形非对称性的内在机理为弹性应变与塑性应变的叠加效应,当冲击能量不变时,增大壳厚提升了内凹区壳体对冲击能量的吸收能力,减小了拉伸和卷曲压缩形变量,此为总形变量随壳厚增加而减小的内在机理。本文得到的航行器入水载荷及变形结果,可为相关领域的研究提供参考与支持。

高空远程滑翔鱼雷全弹道仿真关键技术

高空远程滑翔鱼雷技术是一种集高空滑翔与水下航行于一体的综合设计研究,对其全弹道进行仿真是其概念设计阶段的一项重要内容,同时也是其设计的理论依据。本文根据高空远程滑翔鱼雷在运动过程中的不同主导因素,对其全弹道进行划分并分析各阶段弹道的主要特点。结合相关研究基础,对弹道仿真技术进行了研究,并提出建模仿真方法。该仿真方法对高空远程滑翔鱼雷的全弹道仿真具有指导意义。

脊状表面湍流边界层高阶统计量特性

通过对不同风速下V型脊状表面及光洁平板表面湍流边界层内偏斜系数和平坦系数的测试,对比分析了脊状表面边界层内偏斜系数和平坦系数的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构,且试验中模型表面脊状结构的方向与流向一致。最终研究结果表明,脊状表面湍流边界层内偏斜系数和平坦系数分布规律与平板表面基本一致,但脊状结构的存在降低了距壁面无量纲高度y′<10区域(包括整个粘性底层和过渡区的一部分)的偏斜系数和平坦系数,而对边界层中过渡区以外区域则影响不明显。由此可以推断,脊状结构主要影响边界层流场的近壁区。

蝠鲼集群滑翔水动力性能研究

为探究集群滑翔编队对蝠鲼水动力性能的影响,采用数值模拟的方法研究了多个蝠鲼在串联、三角、钻石排布下进行滑翔运动时的阻力、升力及流场压力分布情况。数值计算结果表明,位于队首的领航蝠鲼总是承受最小的阻力,在大多数情况下,位于队尾的蝠鲼承受最大阻力。对流场压力分布进行研究发现,减阻效果主要来源于集群中各单体间的高压区及低压区分布,高压区有益于位于队前蝠鲼减阻,在特定情况下,低压区的存在会产生向前吸力有利于减小队尾蝠鲼阻力。研究发现当蝠鲼进行前二后一、四体钻石、六体串联及六体钻石集群滑翔时能降低系统平均阻力,这为仿生航行器集群编队设置提供理论指导。

泵喷推进器水动力性能实验研究

前置定子式泵喷推进器被广泛应用于世界各国的新一代安静型潜艇上,但其水动力性能实验研究目前还比较匮乏。在空泡水筒中,对一型九叶定子七叶转子的前置定子式泵喷推进器进行了实验测试。其中,使用测力装置对敞水状态下泵喷推进器的推力系数和扭矩系数等进行了测试,使用激光粒子测速系统对其尾流场进行了测试。实验结果表明,此型前置定子式泵喷推进器的转子推力系数、定子及导管推力系数、转子扭矩系数均随着进速系数J的增大而减小,但定子及导管的合扭矩系数的绝对值反而随着J的增大而增大。泵喷推进器的效率在J=1.0处达到最大,为61.91%。前置定子式泵喷推进器的推力主要由转子提供。此外,泵喷推进器的尾流场由喷流加速区、轮毂低速区、混合区组成,实验测试得到了不同工况下尾流场中的瞬态速度以及平均速度值。

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25,0.5,0.75,1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°~8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°~8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.

超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有超疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了超过20%的减阻效果。对超疏水表面进行了表面能特性和滑移特性分析,认为表面组分中的疏水基团和表面微观结构分别导致了超疏水表面的低表面能效应和壁面滑移效应,两者是超疏水表面具有减阻作用的直接原因。

超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究

在建立超疏水表面流场数值仿真模型的基础上,对具有微观形貌的超疏水表面在湍流状态下的流场特性和减阻规律进行了仿真研究。仿真结果显示,超疏水表面气液界面处产生了显著的滑移流动,微观形貌附近出现了成对的流向涡。这些因素共同抑制了湍流脉动,降低了各向雷诺应力,减少了流动能量损失,从而使超疏水表面产生减阻效果;超疏水表面减阻量随自由剪切面积比的增大而增大,随形貌周期的增大而增大,且减阻效果与滑移之间存在定性的关系,滑移越大,减阻效果越好。

脊状表面航行器模型减阻特性的水洞实验研究

通过水洞实验研究具有横流方向的脊状表面航行器的阻力特性。运用三分力天平,分别对光滑表面航行器模型和脊状表面航行器模型在零迎角、不同水速下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,脊状表面航行器模型具有很好的减阻效果,减阻量与脊状结构的特征尺寸、间距以及来流速度有密切关系。在实验工况内,最大减阻量达到11.7%。

导管对泵喷推进器艇后推进特性的影响

为研究泵喷推进器的艇后推进特性及导管主要参数对推进特性的影响,给出基于推进效率和推进器功率的导管主要参数选择范围,该文通过改进的延迟脱体涡模拟(improved delayed detached eddy simulation,IDDES)方法求解艇后泵喷推进器在不同航速、转速和导管主要参数下的流场,研究了不同航速和不同导管主要参数下的泵喷推进性能和自航因子,其中导管主要参数包括倾角、轴向长度、最大厚度、进口直径和出口直径。结果显示:除导管最大厚度外,导管的倾角、轴向长度、进出口直径对自航因子及推进器功率有较明显影响,倾角和出口直径的变化会显著改变推进器流量,进而影响功率和推进效率。结论表明:选择艇用泵喷推进器导管主要参数时,除了取值要在合理范围,倾角和出口直径还要根据艇体尾段的线型和角度来优化取最佳值。

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。

水下航行器流噪声特性水洞试验研究

在高速水洞中进行了水下航行器流噪声的试验研究,测量了不同头部线型、不同来流速度、不同测试点位置处水下航行器缩比模型的流噪声声压谱特性。试验结果发现,上述因素对模型流噪声均有显著影响:模型头部端面直径越小,头部曲线段越长,其流噪声声压级越小;流噪声声压级随着来流速度的增大而增大;相比头部端面其他位置,驻点处的流噪声声压级最小。同时,运用相似率估算了大尺度航行器的流噪声声压谱,获得了较好的预测值。该研究成果对水下航行器的声学设计具有一定的指导意义。

回转体表面不同尺寸脊状结构的减阻数值仿真

将脊状表面减阻技术应用于水下回转体,对回转体表面不同尺寸的V型脊状结构在多个速度下进行了数值仿真计算,发现了脊状结构的尺寸对回转体脊状表面减阻效果的影响规律。针对回转体脊状表面的流场特性,在进行数值仿真时合理选择了计算模型、计算流域、计算网格及边界条件。仿真结果表明:在同一速度下,相对光滑表面而言,回转体脊状表面所受的压差阻力略有增大,但占总阻力份额80%以上的粘性阻力显著降低,从而形成减阻效果;当V型脊状结构的宽高比等于1时,减阻效果最佳;对于同一个回转体脊状表面,低速下的减阻效果明显优于高速。

疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微形貌对固体表面润湿性的影响,在此基础上进一步模拟了具有微形貌的疏水表面通道内的流体流动,从法向速度、剪应力、滑移速度等角度分析了疏水表面的流场特性,揭示了疏水表面滑移流动的产生机制。结果表明,疏水表面的滑移流动是由低表面能作用和微形貌共同引起的。具有微形貌的疏水表面比光滑疏水表面具有更好的减阻效果,原因在于微形貌能够驻留气体,形成的气液自由剪切面加剧了疏水表面的滑移流动,最大滑移速度可以达到主流平均速度的50%左右。

基于格子Boltzmann方法的疏水表面润湿性数值模拟

润湿性对固体表面上液体的各种动力学行为具有重要影响,疏水表面的特殊润湿性是其在减阻、降噪、防污等领域有着广泛应用前景的根本原因。基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法对疏水表面润湿性进行数值模拟,获得了材料属性和微形貌对疏水表面润湿性的影响规律。研究表明,要使疏水表面处于Cassie-Baxter润湿状态,微形貌高度必须大于某一临界值,而当疏水表面一旦处于Cassie-Baxter润湿状态后,继续增加微形貌高度也不会提高其疏水性能;疏水表面的表观接触角随气液界面分数先增大后减小,且存在一个最佳的气液界面分数使表观接触角达到最大。

鱼雷总体多学科设计优化集成平台及其关键技术

分析了鱼雷总体设计所面临的技术瓶颈及多学科设计优化的应用趋势。基于项目管理、流程管理、数据管理、知识工程和多学科设计优化等技术,提出了鱼雷总体多学科设计优化集成平台的构想,详细论述了该平台的体系结构以及构建该平台所需解决的关键技术。本文的工作可作为进一步深入研究及构建鱼雷总体多学科设计优化集成平台的参考。

新工科背景下海洋工程大类培养的专业建设与实践--以西北工业大学航海学院为例

当前,我国正在不断推进新工科的建设与改革,教育部正在组织全国高校开展新工科研究与实践立项。在新工科建设背景和需求下,文章以西北工业大学航海学院为例,结合国家发展战略、专业发展历程和人才培养特色,提出了海洋工程大类培养的新模式。以强化学生的专业理论、实践能力和创新性思维为目的,以教学内容设计、教学方法创新和实践平台建设等方面为切入点,探索新工科背景下海洋工程大类培养的专业建设内容和方法,突出理论实践融合、“竞赛+实验”的课程建设特色及特点。

脊状表面水下航行器模型减阻实验与数值仿真

针对水下航行器提高航程和航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。在航行器模型外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。开展了轴对称航行器模型在高速水洞中的阻力测试并做了相应条件下的数值仿真,实验和数值仿真的结果基本一致。具有垂直流向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,脊状表面所受的压差阻力略有增大,占总阻力份额80%以上的粘性阻力显著降低,从而形成减阻效果。

自主水下航行器发展趋势及关键技术

为推进和引导我国自主水下航行器(AUV)的发展,总结国内外AUV的研究现状,提出其系列化、集群化、体系化、大型化的发展趋势。重点探讨AUV总体多学科优化设计、结构与材料设计、动力与推进、导航与控制、探测与通信等关键技术,为更好地利用AUV经略海洋,从而实现“进入海洋、探测海洋、利用海洋”的战略目标提出发展意见。

超疏水表面的润湿性及其应用研究

润湿性是衡量超疏水表面疏水强弱的最重要特征之一,主要由表面化学组成和表面微观结构共同决定。简述了超疏水表面的润湿性理论,综述了超疏水表面的最新研究进展,包括制备方法、应用研究及理论分析,详细介绍了其在自清洁和减阻方面的应用,最后提出了现阶段超疏水表面研究所面临的问题,并展望了其诸多领域的发展前景。