超空泡航行体尾舵展开过程水动力载荷数值研究

超空泡航行体全沾湿航行阶段尾舵展开过程的流体动力载荷对于航行体稳定性分析以及尾舵机性能设计具有重要影响。建立了基于重叠网格技术和网格域间相对运动思想的尾舵展开过程数值计算方法;结合超空泡航行体设计需求,研究了尾舵不同展开速率、不同攻角状态展开以及尾舵展开前后的水动力载荷变化规律;通过对尾舵附近速度矢量场、压力场以及尾舵表面压力系数分析,揭示了尾舵不同状态的流体动力载荷变化原因。研究成果对超空泡航行体尾舵展开过程流场特性研究具有重要参考价值,同时为尾舵机性能设计提供了重要设计依据。

尾翼控制小型超空泡航行体运动稳定性分析

为探究可偏转尾翼对小型超空泡航行体运动状态的影响,建立了具备尾翼控制功能的小型超空泡航行体非线性动力学模型,对航行体动力学系统进行仿真计算,根据Lyapunov指数谱和相轨图对系统稳定性进行判定,运用非线性动力学方法,对不同尾翼反馈增益下的稳定系统、周期振荡系统以及混沌系统进行分析,得到了速度衰减情况下无动力小型超空泡航行体保持稳定运动的反馈增益参数区间,结果表明,无动力小型超空泡航行体可以通过调整尾翼的反馈增益参数进行姿态控制并实现稳定运动。

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明:在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。

超空泡航行体的可视化控制仿真实验设计

为解决在水下航行体控制教学中存在的学生对控制结论的理论仿真曲线和实际控制效果难以充分联系的问题,对一种超空泡航行体模型的可视化控制仿真实验的设计进行了研究。实验首先建立了超空泡航行体的三维可视化模型,然后将模型带入具有PID控制算法的Simulink仿真环境中进行可视化仿真,最后对可视化仿真界面和传统仿真曲线中的超空泡航行体的状态参数变化进行对比。实验结果表明,超空泡航行体状态参数的变化符合控制要求,且在可视化界面和传统仿真中具有一致性。学生在实验中能够直接观察控制效果,有利于培养学生掌握控制系统计算机辅助设计的能力,并建立独立思维及创新意识。

不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算

航行器出水过程极其复杂,伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性,其所受作用力呈现强的非定常、非线性。国内外对航行器带空泡出水问题的研究,多为航行器垂直或者倾斜出水,关注点往往为航行器运动轨迹及姿态,对超空泡航行器出水过程研究较少。文中基于STAR-CCM+软件,采用重叠网格技术进行网格划分,使用流体体积(VOF)多相流模型捕捉气液交界面,Schnerr-Sauer模型描述航行器周围的空化过程,建立了航行器出水过程的数值计算模型。对航行器在不同航行条件(初始速度、初始水深、通气量)下的出水过程进行仿真计算,得到了不同工况下的流场和空泡演化规律,分析了超空泡航行器的流体动力特性与运动特性。仿真结果表明,不同初始运动速度的航行器,其水下运动呈现出2种不同的模式。不同水深下,初始空化数不同,在较深的水域航行器周围空泡更容易破裂,加大通气量可有效改善空泡形态。

超空泡航行体流体动力延迟特性数值模拟研究

由于超空泡形态的延迟效应,超空泡航行体在机动航行过程中的流体动力会展现出极强的非定常特性,给航行体流体动力的获取、运动性能的分析以及控制方案的设计带来了巨大的挑战,因此开展航行体超空泡状态下的流体动力特性和形成机理的研究具有重要的意义。采用动态网格技术,建立了超空泡航行体连续变攻角运动的三维数值模型,并通过水洞试验结果验证了该模型的准确性,仿真研究了不同速度、摆动频率和空化器预置舵角下超空泡航行体非定常空泡发展过程和流体动力特性变化规律。研究表明:超空泡航行体非定常运动状态下的流体动力具有延迟特性,采用常规航行体流体动力计算方法预报结果存在较大误差;空泡延迟效应和附体空泡的动态发展是导致超空泡航行体非定常流体动力延迟特性形成的根本原因;超空泡航行体流体动力延迟特性随着速度的增大而显著增强、摆动频率增大而减弱,空化器预置舵角导致航行体在正负攻角摆动时呈现不同的延迟特性。

基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大,主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动.对于此类多输入多输出的复杂非线性系统,利用传统反步法控制器设计思想,将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制.为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿,本文设计了线性扩张状态观测器(LESO),将扰动估计值与控制器设计相结合,使用Lyapunov方法分析系统稳定性.最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性,以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.

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。

水下超空泡航行体流体动力设计原理研究

在对航行体超空泡生成、流型和稳定性水洞模型实验研究的基础上 ,从航行体运动力学原理出发 ,研究了超空泡航行体流体动力设计需要解决运动平衡、稳定性与可控制等基本问题 ,给出了超空泡航行体流体动力设计原理、方法与实现途径 ;并提出了一种流体动力设计原理方案 ,设计加工了实验模型 ,在水洞中进行了验证实验。实验获得的航行体超空泡流型照片和流体动力曲线表明提出的超空泡航行体流体动力设计原理是正确的 。

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。

超空泡航行体前部线型对空泡生成速度影响实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了3种具有不同前部线型的航行体模型。并针对所设计的3种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞进行了超空泡生成速度的实验研究。结果表明:①航行体前部线型对超空泡生成速度的影响程度与航行体的轴向压力分布和斜率分布有关,模型表面的压力和斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高航行体超空泡生成速度;②航行体超空泡生成速度与通气流量有关,增大通气流量可以减小航行体超空泡生成时间。文中结果为提高航行体超空泡生成速度提供一条技术途径和研究方法。

空泡摆动对超空泡航行体尾拍影响分析

针对超空泡航行体存在尾拍运动与空泡形态变化互相耦合作用的特点,建立了超空泡航行体尾拍耦合运动方程,并对超空泡摆动对超空泡航行体尾拍相互作用过程进行了数值研究,对比分析了不同速度和角速度的超空泡航行体运动过程及空泡摆动对尾拍的影响规律.研究结果表明:空泡摆动使航行体转角、整体运动周期、尾拍升力和阻力增大;在不同速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期及尾拍周期的影响随速度增大而逐渐减小;不同初始角速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期、航行体尾拍升力和阻力的影响随角速度增大而逐渐增大.

预置舵角下超空泡航行体运动过程弹道特性研究

为研究超空泡航行体在水平面机动转弯过程中的弹道特性,采用航行体头部设置预置舵角方法实现,开展了0°、3°和6°预置舵角下航行体自由运动的试验研究。试验在水池中进行,采用高速摄影观察不同预置舵角下的空泡演化过程,采用内测装置测量航行体运动参数,获得了不同预置舵角下超空泡航行体水平运动过程中的弹道特性。试验结果表明:当预置舵角为0°时,航行体侧向力由于非定常因素扰动小幅波动,但均值基本为0;当存在预置舵角时,随着预置舵角的增大,轴向力和侧向力不断增加;预置舵角可以控制超空泡航行体的弹道水平机动转弯,且预置舵角越大、弹道越容易转弯,但舵角过大会导致航行体弹道失稳。

超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究

为探究带圆盘空化器的超空泡航行器倾斜入水过程冲击载荷特性,开展了20°入水角条件下的试验研究。超空泡航行器由空气炮加速获得入水初速度,采用内置惯性测量单元记录载荷变化,试验完成后提取数据进行分析;试验设定了典型入水工况,分析了航行器入水冲击过程轴向载荷的变化特性,进行了入水速度和空化器面积对入水冲击载荷影响的系列试验,分析了各参数下的冲击载荷特性。研究结果表明:航行器入水冲击载荷峰值时刻侵彻距离为空化器直径的1.89倍,阻力系数为稳定航行阶段的1.33倍;在所研究的范围内入水速度和空化器面积对阻力系数峰值无影响。

基于自适应RBF神经网络的超空泡航行体反演控制

针对超空泡航行体姿轨控制普遍存在的模型不确定性问题进行相关研究.为此,首先对其动力学特性进行分析,并建立了超空泡航行体的动力学名义模型,随后将其改写为不确定反馈系统,然后利用反演控制方法设计超空泡航行体姿轨控制器,针对模型中的未知函数利用径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络进行逼近并补偿,由基于Lyapunov稳定理论设计的自适应方法计算神经网络的权重,并给出稳定性证明.仿真研究验证了控制器设计的有效性.

超空泡航行体尾部流体动力特性试验模型支撑方式的选择研究

在水洞中进行了尾支撑、腹支撑和头支撑3种支撑方式的模型试验,以探索对于超空泡航行体尾部流体动力特性研究比较好的支撑方式。试验发现,尾支撑模型的尾部支撑杆对空泡形态有引导作用,因此改变了空泡尾部形态。腹支撑模型的支撑键会阻碍空泡越过,对空泡形态破坏较大。而头支撑模型则避免了上述问题,试验得到的空泡形态以及与之相对应的流体动力曲线较为合理,因此比较适合超空泡尾部流体动力特性的研究。

超空泡航行体前部线形对空泡生成临界通气量影响的实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线形设计方法,设计了三种具有不同前部线形的航行体模型。并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在水洞中进行了生成超空泡临界通气量的实验研究。结果表明:航行体前部线型对超空泡临界通气量的影响程度与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于减少超空泡生成所需的临界通气量。实验数据显示设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡临界通气量都有明显减小,最大减小量达24%,为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量提供了一条技术途径和研究方法。

超空泡航行体控制问题研究进展

综述了国内外学者在超空泡水下高速航行体控制问题领域的研究进展;系统地分析了超空泡航行体的动力学特性和控制方法;指出超空泡水下高速航行体机动控制硬件实现的技术难点,并对超空泡航行体控制问题的发展趋势进行了展望。

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。

预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性研究

为了研究预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性,开展了入水角为20°时的试验研究。超空泡航行体由空气炮加速获得入水初速度,采用高速摄像机记录入水空泡流型,同时由内测系统记录航行体的运动参数和尾部压力变化。对预置舵角为0°和20°时的试验结果进行对比分析,给出了预置舵角下航行体倾斜入水弹道特性,并进一步研究了不同预置舵角对弹道的影响。试验结果表明:预置舵角为0°时航行体以超空泡状态沿直线运动;预置舵角为20°时出现显著的尾拍现象,轴向力和法向力增大,弹道特征体现为偏向水面弯曲,航行体最终以双空泡状态航行,弹道偏转趋势提升;增大预置舵角有助于增强航行体的弹道偏转能力。