水下无人系统发展现状及其关键技术

水下无人系统是现代海军装备的重要组成部分,是海军装备中新概念、新技术应用最为广泛的领域。文章回顾了美国制定的水下无人系统发展规划,分析了美国水下无人系统体系化、集群化以及对新概念水下无人航行器探索的发展特点;简要叙述了俄罗斯、欧洲以及国内水下无人系统的发展现状,以及国内外存在的差距;最后,针对水下无人系统"自主性、互操作、数据链、多平台协同"等核心问题,指出了所应突破的技术关键。文中的研究将为我国多样化水下无人系统开发提供依据。

航行体水下连续发射尾涡遭遇与运动干扰特性

为研究不同发射时间间隔下航行体水下连续发射尾涡干扰与弹道特性,基于Realizable k-ε湍流模型和能量方程、流体体积方法和重叠网格技术,开展数值方法和网格无关性验证,数值模拟结果与实验测试结果吻合度较好。建立航行体水下连续发射数值模拟方法,研究航行体尾流区涡结构的演变机理、次发航行体表面压力分布、弹道以及俯仰姿态演变规律。研究结果表明:航行体水下连续发射过程中在其尾流中发现了发卡涡形态的流动结构,该涡结构由涡头与两条涡腿组成,通常以多个共同组合的形式存在于航行体尾部的流场区域中;沿涡腿内侧发生喷射事件,沿涡腿外侧发生扫掠事件,同时在涡结构内部形成一定流向尺度的低速条带区域;在横流效应下,当次发航行体表面穿过尾流中涡结构中的低速条带区时,迎背流面压力分布特性得到较大的改善,增加了弹道姿态稳定性。

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。

航行体出水过程空化结构演变与溃灭载荷特性研究

高速航行体肩部附着空泡穿越自由液面过程中发生溃灭现象,将产生巨大的冲击载荷,严重影响航行体出水姿态和结构安全性。该研究采用改进型分离涡模型,建立了水下发射非定常空化特性数值模拟方法。结果表明:航行体附着空泡出水过程自上而下发生溃灭现象,在溃灭末期收缩为较小的孤立空泡,溃灭产生的高速射流冲击结构表面;在出水过程中,水面附近的“反向旋转涡对”导致附着空泡发生了快速溃灭现象,以发卡涡为代表的壁面涡旋结构发展明显受到附着空泡的抑制;空泡溃灭末期的孤立泡产生了巨大的冲击压力峰值,对航行体结构安全性将造成巨大破坏。初期航行体迎流侧空泡溃灭行为也会导致较大的压力峰值出现。

基于改进的复合自适应遗传算法的UUV水下回收路径规划

传统遗传算法的变异操作会简单随机产生新的路径,对算法进化性能有不利影响,使算法易陷入局部最优的陷阱;遗传算法常配合栅格法进行路径规划,所得的最优路径并非无人水下航行器(UUV)回收路径规划可获得的最短路径,并存在UUV机动性能可能与最优路径冲突的问题。为此,设计一种具有UUV机动性约束条件的改进遗传算法,提出环境复杂度的概念用于分析机动性约束的具体取值,使路径规划适配于UUV的机动性,使算法结果更具实用性;提出复合自适应变异策略,控制变异的个体在迭代过程中发生自适应的进化;当一定迭代数内种群进化停滞时,引导最优个体进行双阶段自适应变异,从而使最优路径趋近全局近似最优解,有效提高算法的收敛速度。基于MATLAB软件的算法对比仿真结果表明一般复杂水域和复杂水域环境下,改进的复合自适应遗传算法生成的最优路径相比于遗传算法和自适应遗传算法的最优路径更加平滑,路径长度更低,可见改进的复合自适应遗传算法在路径规划上收敛性能和寻优能力更优,更具有可行性和优越性。

头部喷气航行器高速入水空泡特性数值分析

航行器在高速入水的过程中会受到巨大的冲击载荷作用,它会破坏航行器结构并损坏内部仪器,因此开展航行器入水缓冲机理的研究是很有意义的。使用一种带圆盘空化器的头部喷气装置,在气液固三相耦合下,航行器入水过程产生了复杂的空泡形态。开展了加装头部喷气装置的航行器高速入水数值模拟研究,通过对典型工况下入水空泡的分析,得到如下结论:加装头部喷气装置后航行器入水空泡由锥形逐渐变化为纺锤形;与不喷气时相比,喷气可促进入水超空泡的生成,减小入水过程中航行器与水的作用面积,降低该过程中的冲击载荷;同一入水深度下,空泡直径随喷气量而增大。入水速度对空泡形态差异性影响较大,其中入水速度100 m/s以下时可在3.5倍弹长的入水深度内观察到入水深闭合现象。入水角对空泡形态有明显影响,斜入水时空泡呈现明显不对称性,且空泡直径与长度随入水角增大而减小。研究内容为航行器高速入水降载的工程实际提供了技术支持,所得结论在相关领域具有重要意义。

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。

非正弦升沉运动对扑翼自主推进的影响

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。

定子叶片数对泵喷推进器空化性能的影响

目的在改善泵喷推进器(泵喷)水动力性能的同时,兼顾其空化性能。方法以某前置泵喷为原型,采用基于密度修正的RNG k-ε双方程湍流模型,结合Zwart空化方程,数值研究定子叶片数(N_(s)=6~10)对空化性能的影响。结果泵喷空化主要为叶梢涡空化和叶片表面的片状空化,而时-频空化曲线与叶片数目有关,其中单转子表面空化与定子数目相关,而总空化面积与转-定子影响有关。结论增加定子叶片数虽然提高了泵喷推力和扭矩,但转子叶片及叶梢负荷增加,使空化范围大幅度增加。最终N_(s)从6增加到10时,总空化体积涨幅超过5倍。分析空化流动中的涡量输运方程发现,膨胀收缩项在空化演化占主导作用,并且随着定子叶数的增加而增大。

高频同相扰动信号对升沉扑翼水动力性能影响

为探究外界输入正弦扰动信号对升沉扑翼推进性能和尾涡结构的影响,采用数值模拟方法研究了在一个升沉扑翼的基础正弦输入信号中加入高频同相正弦扰动.数值计算结果表明:在大多数情况下,引入扰动增加了轴向推力,尤其是当基频为0.50 Hz时,外加12 Hz扰频促使轴向推力增加至原来的843.5%.计算结果证实:仅在基频较低的情况下,升沉扑翼能拥有良好的推进效率,随着基频或扰频的增大,扑翼推进效率均呈下降趋势.结果表明:当最低基频为0.50 Hz时,随着扰频的增加,尾涡结构在扰频为4 Hz情况下开始由无明显涡脱落模式转换为2S模式;当基频为0.75 Hz时,尾涡结构随着扰频的增加由2P模型转换为2S模式;在1.00,1.25,1.50,1.75 Hz基频情况下,尾涡结构随着扰频的增加由2S模式变得杂乱.

筒口泄气影响下齐射出水运动干扰特性试验研究

为研究筒口泄气影响下双发航行体齐射出水过程流动干扰特性,基于高速摄像技术对航行体齐射出水过程流场演变开展试验测试研究.利用图像处理技术对航行体空泡形态和运动轨迹进行识别并提取,对比分析了单发航行体与双发航行体的空泡形态和运动轨迹演变特性的差异,并研究了艇速作用下航行体的流动干扰特性.结果表明:在无艇速作用下,双发航行体内外两侧空泡轮廓呈现出明显的不对称状;在艇速作用下,迎流侧泡型扩张幅度一般较小,但由于受到筒口泄气产生的不均匀气团的较大影响,导致首发航行体迎流侧泡型较大;无论是单发航行体发射还是双发航行体齐射过程,其初始运动姿态均极易受发射筒口不均匀气团的影响,其次还有筒口密封膜表面张力及发射气压等因素影响.

非正弦俯仰运动对扑翼自主推进的影响

采用数值仿真耦合求解流体动力方程与扑翼运动方程,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,数值模拟了非正弦俯仰运动下扑翼在前进方向及侧向的自主推进,研究在静水中不同运动波形及俯仰频率对自主推进速度、自主推进效率及流场结构的影响.结果表明:非正弦波形调节参数K和俯仰频率对自主推进前进速度、前进距离影响很大,提高K或频率,可增大平均前进速度、前进距离与侧向位移,并在K=2.5的方波取得平均速度最大值,相较于正弦波运动提高70.3%;自主推进效率及能量利用率随着K的减小不断增大,高频时推进效率高,低频时能量利用率高.

斜流中泵喷推进器流场变化规律数值分析

基于SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型与滑移网格技术,对不同进速系数(J=0.95,1.18,1.58)及不同斜流角(β=0°,10°,20°)下泵喷推进器流场变化规律进行了数值分析.利用P4119桨进行了数值方法验证,并进行网格无关性验证.为保证计算结果的准确性,采用全通道模型及全结构网格进行数值计算.计算结果表明:随着斜流角的增大,横向力和垂向力出现明显波动,不同斜流角间的波动幅度相对一致,且随着斜流角的增大而减小;随着进速系数及斜流角的变化,压力系数在转子导边、随边处出现明显波动差异,定子叶片压力系数波动比较稳定.

单桨、导管桨和泵喷推进器的水动力性能和流场对比研究

单桨、导管桨和泵喷推进器是水下航行器常用的3种典型推进器。论文在某型前置定子式泵喷推进器模型的基础上建立了2种新的模型,分别为只包含转子的单桨模型和包含转子、导管的导管桨模型。基于分离涡模拟方法,对这3种模型的水动力性能、流场进行了对比研究。结果表明,相对于单桨和导管桨,泵喷推进器的水动力性能有明显提高。此外,前置定子对转子叶片上的非定常载荷有较大的影响,改变了其幅值和频率特性,而导管对转子叶片上的非定常载荷影响较小。单桨和导管桨转子叶片上激振力的特征频率是转子的通过频率,而泵喷推进器转子叶片上激振力的特征频率是定子的通过频率。论文的结论对水下航行器的推进器选型和水动力性能研究有一定的工程指导意义。

柔性扑翼水动力特性试验研究

为探究扑翼自身刚度和运动参数对其水动力特性的影响,依托仿生扑翼推进试验平台,实现扑翼的俯仰-升沉结合运动.使用六轴力/力矩传感器记录扑翼运动过程中的力学参数,同时利用高速相机记录扑翼运动情况;对力学数据进行均值化及归一化处理得出扑翼水动力特性随刚度及运动参数的变化规律;对图像进行处理,绘制出扑翼尾端点运动轨迹.试验结果表明:低刚度扑翼在低频下推力表现优异;扑翼刚度对推力稳定性起着重要作用;扑翼运动轨迹随着刚度增加,从杂乱无章演变为8字形,最终演变为弧线形.

前置泵喷推进器叶片数对水动力及空化性能的影响研究

为降低泵喷推进器(简称泵喷)的谐频作用,改善其噪声性能。针对某前置泵喷,采用RNG k-ε双方程湍流模型探究了叶片数对泵喷敞水性能和脉动性能的影响。结果发现,泵喷推力和扭矩与叶片数呈正相关,效率基本保持不变;单转子的推力脉动受定子干扰,转子总推力的脉动频率主要分布在桨叶的倍叶频处。此外,结合密度修正的RNG k-ε模型,采用ZGB空化模型研究了空化数σ对泵喷空化性能的影响。结果表明,随着σ的提高,桨叶从全空化转变到叶片局部和叶梢空化,再转变到仅有叶梢小部分空化;对比σ=3时不同转子叶片数N的空化性能,发现叶片表面空化面积随转子叶片数的增加而增大,但空化体积却减小。