跨介质航行器多体分离特性分析

结合计算流体力学数值仿真和动力学模型仿真对跨介质航行器水下分离舱张开特性进行了研究,重点分析了分离舱在分离前后不同状态下所受的流体动力。分析结果表明:1)在合适外形下,分离舱可仅在水动力作用下完成与航行器的分离;2)分离舱受力主要受张开角大小及张开角速度影响,不同张开角下的分离力矩产生主要机制不同,小张开角时分离舱张开主要依靠外表面分离区低压所产生的内外压差,流体力矩主要依靠分离舱前段产生,大张开角时则主要依靠水流冲击引起的法向力,力矩主要依靠分离舱中后段产生;3)分离舱张开角较小时分离舱所受流体阻尼力矩极大,导致分离初始阶段分离舱难以迅速张开,随着张开角变大,流体阻尼力矩系数逐渐减小,分离舱张开角速度迅速变大。因此,在设计分离舱水下分离时,应设计合适外形和分离方式来降低分离舱初始流体阻尼力矩。

跨介质航行器入水多相流场及运动特性研究现状与展望

水面或空中平台发射的高速入水航行器,借助超空泡减阻技术突破了传统水中兵器的速度极限,凭借高速优势可有效拦截和打击水下潜在威胁,是当今各军事强国竞相研究的热点。但跨介质航行器高速入水过程伴随多相间复杂湍流流动、非定常空泡演变和入水冲击载荷等问题,制约着超空泡航行器的稳定航行,影响作战效能。文章针对航行器高速入水非定常空泡流型演变特性、跨空-水介质冲击载荷、水下尾拍运动等问题,阐述跨介质航行器入水过程及稳定航行所涉及的诸多技术难点,梳理航行器高速入水降载方法,并归纳总结跨介质超空泡航行器的工程应用。最后,展望了跨介质航行器有待解决的问题及未来发展趋势。

扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°,6°,8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.

跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明:新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。

仿生水-空跨介质航行器控制系统研究

随着海洋技术与装备的快速发展,对海上无人装备的作战能力提出更高要求。为了有效提高无人系统的跨域作战能力,亟需突破多模态跨域控制技术,实现多系统间的协同配合。基于上述背景,本文首先对国内外跨介质航行器的跨域控制技术进行梳理,并提出适用于仿生水-空跨介质航行器的两栖多模态切换控制技术和复杂海洋环境下的自抗扰控制技术。研究表明,该技术能够有效提升航行器跨域控制的鲁棒性与自抗扰能力。其次,初步设计与跨域控制技术相匹配的仿生水-空跨介质航行器软硬件系统,并论证航行器跨域控制系统的可行性。最后,对本文提出的控制技术进行总结分析,为新型水-空跨介质航行器的跨域控制技术研究提供新的思路。

仿翠鸟水空跨介质航行器设计与入水分析

为了满足水空跨介质航行器的推进需求,精简其动力系统,仿翠鸟设计由单一动力源驱动的水空跨介质航行器.通过计算流体力学(CFD)软件仿真分析入水高度、入水角度和航行器密度等关键影响因素对航行器入水速度、深度和冲击加速度等动力学性能的影响,并与自然界翠鸟的入水性能进行对比.结果表明:在入水角度一定时,增加入水高度将导致航行器所受的冲击加速度增量与入水深度增量的比值增大,从而提高相同条件下对结构强度的要求;在一定范围内航行器密度的增加有利于降低对结构强度的要求;当入水角度约为45°~60°时,所需结构强度最低.在入水深度满足要求的情况下,应适当增大航行器的密度、减小入水高度,且航行器的最佳入水角度为45°~60°.

基于Sarrus机构的跨介质航行器变体机翼流体动力学数值仿真

跨介质航行器是一种能够适应水空两种不同介质环境,并且可以自主跨越介质交界面的可持续工作的新型航行器。由于水空两种介质在物理性质上的显著差异,设计变体机翼和跨域推进系统是保证跨介质航行器能够平稳运行的关键点。文中采取变体结构设计方案,提出了一种基于Sarrus机构的跨介质航行器变体机翼。为了研究方案设计在水空两种介质中的可行性,利用Fluent对航行器外部结构进行了流体力学数值仿真,然后根据仿真得到的气动与水动系数,验证了方案设计的可行性,为进一步的研究提供理论支持。

跨介质航行器高速入水冲击载荷特性

跨介质航行器组合了导弹与超空泡武器的优势,比导弹的末段突防能力强,同时弥补了超空泡武器航程不足的缺点,是未来反舰武器的重要发展方向。跨介质航行器高速入水冲击载荷特性及其降载方法是跨介质航行器研发中的关键技术之一。建立跨介质航行器高速入水多相流场与弹道耦合仿真模型,进行模型验证与校核。对典型工况下的跨介质航行器高速入水过程冲击载荷特性进行仿真,并对不同速度下的高速入水过程弹道参数进行对比。结果表明:预置舵角引起的尾拍运动产生周期性的法向过载,达到轴向过载的2.7倍左右;法向力主要由振荡攻角引起的位置力构成,惯性力很小,可以忽略;入水速度的增大引起尾拍频率加快,攻角振荡幅度降低,入水速度对法向冲击力系数影响很小。

浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用

水空两栖跨介质无人航行器是近年来研究的热点,该航行器预期实现水下潜伏,跨水空介质状态转换和空中飞行这3种航行状态,存在着变密度、结构转换、动力转换等技术问题亟待解决。自然界中存在着可以自由穿梭于水空环境中的生物,将具有这种飞行本领的生物作为仿生对象,并进行系统研究,对突破跨介质无人航行器的关键技术研究有着重大意义。在介绍"鲣鸟"水空两栖跨介质无人航行器这一产品在工业设计流程中的仿生设计研究的基础上,对仿生设计的研究方法进行创新,阐述CAD技术在仿生设计中的应用方法及重要作用。

水空跨介质航行器斜出水过程数值仿真

[目的]水空跨介质航行器(TMAUV)的斜出水过程是一个强非线性、非定常、流场变化剧烈的过程。基于一种可变体的TMAUV的水下构型,利用CFD流体仿真软件,对该构型在典型工况下的出水过程进行数值仿真。[方法]分析航行器在此过程中不同阶段的流场变化特性及其载荷的分布,比较航行器以不同的俯仰角和攻角出水时,在2个典型位置的流体速度场分布和航行器所受流体作用力的特性。[结果]结果表明,航行器倾斜跨越水空界面时两侧的流场和载荷会出现不对称的剧烈变化,俯仰角越大,在水下部分流场受动范围越小,跨越出水部分受影响越大;与零攻角出水相比,航行器带攻角倾斜出水会导致表面所受流体作用力出现高频率、大幅度的反向震荡,影响出水的稳定性。[结论]研究结果可为研究潜射导弹出水、船舶航行、潜艇跨介质等问题提供研究思路和理论参考。

跨介质航行器高速斜入水跳弹现象研究

目的揭示跨介质航行器高速入水跳弹行为的机理,提高航行器的突防能力。方法基于STAR-CCM+流体仿真软件,采用VOF多相流模型以及Schnerr-Sauer空化模型,计算航行器跳弹过程的空化流场,并运用重叠网格技术,耦合六自由度弹道方程,求解航行器的运动特性。利用所建立的计算模型,研究航行器在不同入水速度和角度下的空泡演化、水动力和弹道特性,揭示航行器产生跳弹现象的原因和规律。结果航行器在小角度高速入水时,水下运动轨迹会发生很大的变化,经历了入水、浸水、出水3个阶段。结论产生跳弹现象的主要原因是航行器在入水后,头部上下缘以及弹尾两侧受力不均,形成了向上的偏转力矩,使得航行器的俯仰角发生了较大的改变,并且随着航行器的入水速度加快,入水角度减小,跳弹现象越容易产生。

基于FINE/Marine的跨介质航行器数值模拟

针对自由液面跟踪法无法准确预测跨介质航行器运动特性和水动力特性的问题,采用基于自由液面捕捉法的FINE/Marine软件模拟分析DTMB 5415船模顶浪运动以及DLR-F4飞机模型在水上迫降过程中的流场和水动力特性,其中采用BRICS离散格式进行自由液面运动方程离散.与已有实验结果的比较表明,该模拟方法可很好地预测跨介质航行器的运动特性和水动力特性.

新型仿生水-空跨介质航行器结构设计

近年来,水-空跨介质航行器因具有立体跨域优势而成为研究热点,但水-空跨介质航行器平台总体的现有设计水平阻碍了其在实际复杂环境中的推广和应用。文中基于仿生变体技术,提出一种新型仿生水-空跨介质航行器结构。针对航行器外形特点,设计了2对变体水翼和折叠空翼,并开发出变体执行机构,以实现水翼、空翼的展开和收缩。为保证该航行器在多模态下的优良性能,对其在水下、水面和空中模态的水动力性能和气动性能进行了计算流体动力学数值仿真研究。结果表明,该航行器不仅可实现水下定深潜行、水面高速航行以及空中定高飞行的跨域作业,而且兼具水下隐蔽性和空中机动性等优势。

跨介质航行器波浪环境入水流场演变和运动特性研究

跨介质航行器是一种既可以在空中飞行又可以在水下潜航的新概念航行器,基于仿生学原理,提出一种通过改变外形实现水空介质跨越的航行器模型,通过入水试验装置和计算流体动力学方法,对航行器带攻角从空气到水的介质跨越过程进行了试验和数值仿真研究,得到了跨介质入水过程航行器的运动姿态和入水空泡形态,并通过数值仿真得到了航行器的升力、阻力、速度和加速度演化规律。同时基于数值模拟方法对有波浪情况和静水情况下航行器入水过程空泡演变以及运动特性进行对比。结果表明:提出的航行器构型在水中具有较好的姿态调整能力,波浪的有无和波高的不同都会对航行体入水运动特性造成影响。

跨介质航行器流体动力外形仿生设计

跨介质航行器是一种可在空中与水中两栖巡航并能自由穿越水气界面的新概念海空两栖无人运动平台,需要具备良好的入水和出水性能及较小的水下流体阻力。采用两种生物组合仿生的设计思想,利用全自动三维影像扫描仪获取具有优良入水性能的翠鸟头部和龙虱身体的形体特征点云数据,应用傅立叶级数拟合方法拟合特征曲线,设计了一种跨介质航行器流体动力外形,为减小航行器入水冲击载荷、降低水下航行阻力提供了设计方案。

大尺度跨介质航行器高速倾斜入水冲击载荷特性研究

为了研究大尺度跨介质航行器高速倾斜入水冲击载荷特性,基于流体体积多相流模型耦合S-DOF刚体运动模型构建了跨介质航行器高速倾斜入水三维非定常数值计算模型,采用细长体高速入水自由运动试验数据对数值计算模型的计算精度进行了校核及验证,对比研究了平头、锥头头型高速倾斜入水的冲击载荷特性。结果表明:锥头头型入水的最大轴向、纵向冲击载荷发生的时间几乎同步,而平头头型最大轴向冲击载荷相比纵向载荷发生的时间显著延迟;对于最大冲击载荷,平头头型的轴向冲击载荷大于其纵向冲击载荷,而锥头头型的轴向、纵向冲击载荷几乎相同;相较于平头头型,锥头头型的轴向冲击载荷显著降低,45°入水时,其最大峰值约为平头头型的1/3。

跨介质航行器入水过程数值仿真

航行器跨介质入水过程往往伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性,不仅会加剧流场的复杂性,还使其所受的作用力呈现出较强的非定常性和非线性。文中建立了航行器入水过程的数值计算模型,采用流体体积模型捕捉气液交界面,使用Schnerr-Sauer模型对跨介质过程中产生的空化过程进行描述。对不同通气量和空化器倾角下的跨介质航行器入水过程进行仿真计算,研究了跨介质过程中的流场和空泡演化规律,分析并得到了航行器跨介质过程中的流体动力学特性以及运动特性。仿真结果表明,航行器在入水过程中会随着通气量的变化而呈现出2种不同的姿态变化模式:增角速度拉平模式和周期俯仰式拉平模式,不同模式下航行器的入水拉平过程会呈现不同运动特点;此外,空化器倾角的增加和通气量的降低可以提高航行器在跨介质入水过程中的姿态变化速率。

跨介质航行器动力学前沿技术研究进展

近年来跨介质装备受到船舶与海洋、航空航天以及兵器等领域的高度重视,与跨介质航行器相关的总体方案、关键技术、研究方法以及使用效能等成为研究热点。文章阐述了跨介质航行器动力学相关研究背景,综述了航行器入水砰击、出入水流固耦合、跨介质仿生、跨介质动力与推进、新质跨介质装备、跨介质动力学试验与仿真技术等方面的最新研究成果和研究进展,并展望了跨介质航行器发展需要解决的若干前沿关键技术,以期为促进海空界面动力学与无人系统研究提供借鉴。

跨介质航行器高速入水降载方法研究综述

跨介质航行器高速入水过程涉及多相流场与物体间复杂的流固耦合作用,航行器面临瞬态冲击载荷极易发生结构损坏。文中综述了目前国内外跨介质航行器高速入水载荷特性和降载方法的研究进展,总结了常见降载方法并分析其优劣,提出了未来跨介质航行器高速入水降载研究的重点发展方向。

跨介质航行器水下弹道特性分析

为了研究跨介质航行器的水下弹道及相关动力学特性,以某跨介质航行器为研究对象,基于动量定理和动量矩定理建立动力学方程,并对不同速度和空化器倾斜角下的动力学特性进行分析。结果表明:增加初始速度会使航行器水平航行距离和航行深度略微减少,速度下降变快;增加空化器倾斜角亦会导致航行器水平航行距离和航行深度略微减少;减小初始角度对航行器水平航行距离与结束计算时的角度有较大影响,但几乎不影响加速度与受力特性。