依托无人水下运载技术实验室构建创新型人才培养体系

高校实验室是科技创新及人才培养的重要场所。本文对西北工业大学航海学院无人水下运载技术实验室进行了分析,对实验室阶段性成果进行了介绍,强调了基础设施完备以及人才力量储备的重要性,提出了积极引导研究生参与科学研究,承担国家重大科技项目,培养学生的创新能力等项目建设及人才培养的方法。

航行体水下发射过程气幕降载特性

水下发射过程中在筒口附近形成气幕通道,可有效降低航行体出筒过程中表面高频脉动载荷.基于流体体积(VOF)均质多相流理论、标准的RNG k-ε湍流模型及重叠网格技术,研究筒口气幕对航行体表面脉动载荷的影响规律,分析气幕环境下的流场结构及流体动力演变特性,对比不同横流强度、燃气质量流率下气幕流场结构演变和出筒降载效果.结果表明,航行体出筒过程中,喷嘴喷出的高速燃气近似覆盖了航行体表面,并逐渐在发射筒口周围形成一个气体通道,显著降低了航形体表面载荷;有气幕条件下,航行体所受力矩与表面载荷均出现明显降低,其中所受力矩峰值降低了80.3%,航行体表面压力峰值最大降低了81.2%;提高横流速度,航行体表面压力峰值最大增加了56.7%;在质量流率由2 kg/s提高到16 kg/s时,航行体所受力矩降低了80.8%,表面压力峰值最大降低了82.8%.

不同通气量下双发航行体水下齐射降载增稳特性研究

基于重叠网格技术,VOF(volume of fluid)多相流模型以及改进型分离涡模型相结合方法,建立了基于主动通气下双体水下齐射降载增稳数值方法,分析了通气量对空泡形态、载荷特性及运动稳定性的影响规律。结果表明:在一定范围内,随着通气量的增加,当通气空泡完全包裹航行体孔口下方区域后,横向载荷幅值和交变峰值均减小,同时,产生的扶偏力矩能够大幅度减小双发航行体之间狭长流域产生的流动干扰现象。另外,为了避免发生共振现象,设计航行体时应尽量使其固有频率在通气效应产生的低频范围之外。综合分析,主动通气方式对多体水下齐射运动姿态的不稳定性具有较好的改善作用。

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。

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。

滚动轴承波纹度对齿轮动态传递误差的影响

为了研究轴承波纹度制造误差对轴承-齿轮传动系统中齿轮动态传递误差的影响,构建了轴承滚道表面时变波纹度误差表征模型,建立了考虑轴承内外圈滚道表面波纹度幅值、波数以及时变齿轮啮合刚度的轴承-轴-齿轮系统耦合动力学模型,研究了齿轮传动系统支撑轴承内外圈滚道表面波纹度幅值和波数对齿轮动态传递误差的影响规律。仿真结果表明:输入轴支撑轴承存在波纹度误差时,其外圈滚道波纹度对齿轮动态传递误差的影响大于内圈滚道;输出轴非负载端支撑轴承存在波纹度误差时,其内外圈滚道波纹度对齿轮动态传递误差的影响相似;输出轴负载端支撑轴承存在波纹度误差时,其外圈滚道波纹度对齿轮动态传递误差的影响大于内圈滚道。

双发回转体水下齐射流体动力特性数值仿真

为研究双发回转体水下齐射过程流体动力演化特性,基于均质多相流理论、标准RNG k-ε模型、Singhal空化模型以及重叠网格技术,建立三维双发回转体水下齐射模型,开展不同发射速度下双发回转体非定常空泡与运动姿态演变过程数值仿真,分析了典型工况下双发回转体齐射过程流场结构演变、运动特性以及齐射速度对其运动特性的影响。结果表明:航行前期空泡发展至最大,随着航行器向自由液面运动,空泡从其末端由下至上逐渐脱落,并发生了溃灭现象;由于齐射过程中流动干扰区域的存在,双发回转体肩部空泡形态演变过程由不对称演变为对称状,从而导致回转体质心先向内侧偏移,随后不断向外侧偏移;随着齐射速度的增大,回转体出筒时刻空泡长度不断增大,其质心由内侧向外侧偏移的交点向后推迟,同时偏转角度不断减小。此研究对水下齐射工程技术具有一定的借鉴意义。

基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

为了提高翼身融合水下滑翔机(blended-wing-body underwater glider,BWBUG)外形的设计质量与优化效率,提出一种基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化(surrogate-based blended-wing-body underwater glider shape optimization,SBUGSO)框架。以最大升阻比(lift to drag ratio,LDR)为优化目标,排水体积不减小为约束条件,对翼身融合水下滑翔机外形进行优化。优化后的翼身融合水下滑翔机升阻比提高了24.32%,研究表明提出的基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化框架能够有效降低计算资源,同时提高水下滑翔机流体动力性能和排水体积,相比其他优化算法,具有明显优势。

非对称头型航行器入水空泡形态与弹道特性的实验研究

头部形状对航行体的入水弹道和空泡形态有着显著的影响,为研究非对称头型在入水过程中空泡和弹道的演变特性,基于高速摄影技术,对带有35°,40°,45°不同切角头型的航行体开展了不同入水角条件下的低速入水对比实验。通过数字图像处理技术提取不同时刻下航行体的入水空泡轮廓以及运动姿态信息,得到了非对称头型航行体切角大小和入水角度对入水空泡和弹道轨迹的影响规律。实验结果表明:非对称头型切角侧能有效促进空泡的扩张从而形成不对称入水空泡;空泡扩张规模与空泡初始水平扩张速度和头型截切的切面区域面积正相关;非对称头型航行体入水弹道会向非切角侧偏转,且头型切角越小弹道偏转幅度越大,姿态角减小也越快;入水角越小,弹道拉平所需要的时间越短,拉平深度也越浅。

翼身融合水下滑翔机后缘舵流体特性研究

为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。

水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析

水下滑翔机变浮力装置在工作时其驱动电机和泵产生的热量会对其内部结构产生影响,导致装置无法正常运行。针对这一问题,采用有限元方法,建立了变浮力装置热力学仿真模型,先对变浮力装置的活塞在理想匀速运动状态时在不同海水深度下到达热平衡时的温度场分布进行了仿真计算,获得了变浮力装置的温度随海水深度的变化规律。结果表明:在所选不同海水深度的工况中,海水深度为500 m时温度最低,在海面时温度最高;在海面处和100 m海深时,变浮力装置到达热平衡时的最高温度存在于右侧活塞上,分别为31.49℃和26.90℃,在所选其他海水深度的工况下装置到达热平衡时的最高温度均存在于泵模型的压盖上。文中同时对不同电机转速到达热平衡时的温度场分布进行了仿真,获得了1 500 m海深下变浮力装置温度随电机转速的变化规律,可知电机转速为5 000 r/min时,装置到达热平衡时的温度最高,为40.95℃,存在于泵模型的压盖上。根据仿真结果获得了该装置运行时温度较高的位置,为判别装置工作时由于温度过高而影响关键部件正常运行的可能性提供参考。

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。

一种快速优化拉丁超立方试验设计方法

工程设计优化中,优化试验设计方法常常用于求解大型复杂系统问题。针对传统优化试验设计方法计算耗时长、效率低的问题,提出一种快速优化拉丁超立方试验设计方法:在拉丁超立方抽样框架下,采用基于最大最小距离准则连续局部枚举方法设计生成高性能小尺寸基础样本,然后利用平移传播算法通过"平移"基础样本快速获得大尺寸试验样本。结合提出的样本尺寸调整策略,使该方法可以快速得到空间填充性能和映射性能良好的任意尺寸试验样本。测试结果表明快速优化拉丁超立方试验设计方法能够兼顾设计效率和样本性能,优于已有典型试验设计方法。

混合元模型自适应空间探索优化方法及应用

为了提高翼身融合水下滑翔机等复杂工程系统的设计质量与优化效率,本文提出一种混合元模型自适应空间探索优化方法。通过增强随机进化算法选取初始样本点,构造3种经典单一元模型:多项式响应面模型、径向基函数模型和克里金模型。使用基于预测均方根误差权重因子优化方法计算获得各元模型权系数,通过加权叠加构建混合元模型。采用自适应空间探索方法根据已知信息确定有效的设计子空间,并在其内部选取新增样本点,逐步提高混合元模型在感兴趣区域的预测精度,直至优化收敛。将提出的方法应用于标准优化函数和翼身融合水下滑翔机外形设计优化实例,试验对比结果验证了该方法在优化效率和全局收敛性方面的优势。

一种基于多层设计空间缩减策略的近似高维优化方法

针对高维昂贵黑箱问题(high-dimensional expensive black-box,HEB)处理过程中工程模型复杂、计算量大的难题,提出一种基于多层设计空间缩减策略的近似高维优化方法(hierarchical design space reduction strategy based approximate high-dimensional optimization method,HSRAHO)。利用3种经典代理模型:多项式响应面模型、径向基函数模型和克里金模型,使用基于预测均方根误差权重因子优化方法计算获得各代理模型权系数,通过加权叠加构建组合代理模型,替代实际高维黑箱模型。使用多层设计空间缩减策略根据已知信息确定设计子空间,并在其内部确定有效样本点,逐步提高组合代理模型在感兴趣区域的预测精度,直至优化收敛。将提出的近似高维优化方法HSRAHO应用于标准优化函数和翼型设计优化问题,测试结果验证了该方法在高维优化效率和全局收敛性方面的优势。

静水压力下纤维缠绕圆柱壳体的稳定性分析

为更清楚地认识静水压力作用下纤维缠绕圆柱壳体的耐压特性、解决深海耐压舱体的结构稳定性问题以及给工程设计提供参考,有必要对纤维缠绕圆柱壳体的结构稳定性进行深入研究。在弹性薄壳理论的基础上,推导出纤维缠绕圆柱壳体稳定性控制方程,采用Galerkin方法求解纤维缠绕圆柱壳体受静水压力作用下的临界失稳载荷。以正交缠绕、金属-纤维缠绕复合结构、斜交缠绕等几种形式的壳体结构为对象进行解析,并与实验结果对比,验证了求解的有效性和正确性。在此基础上,建立了基于遗传算法与解析方案一体式的优化平台,对[(±θ)12],[(±θ1)x/(±θ2)12-x]及[(±θ1)4/(±θ2)4/(±θ3)4]缠绕形式的圆柱壳体进行优化设计,研究纤维缠绕角度、对应层数及设计变量个数对临界失稳载荷的影响。结果表明,纤维缠绕角度对临界失稳载荷有显著影响,通过数值优化稳定性分别提高31.31%,43.25%及57.17%;随着角度变量的增加,优化得到的临界失稳载荷越大,最优可提高57.17%。

潜射航行体肩部通气流体动力特性数值研究

为研究潜射航行体肩部通气空泡流对其表面流体动力特性的影响,基于均质多相流理论、标准RNG k-ε模型、Singhal空化模型以及重叠网格技术,建立三维潜射航行体肩部通气模型,开展通气非定常空泡流演变过程数值模拟研究,对比了不同通气量下空泡流形态演化、表面压力分布以及阻力特性。结果表明:当通气量增加到一定值后,通气空泡流在融合前期其厚度与长度不断增大,后期其厚度和长度基本保持不变;当排气位置不变、通气量在一定范围的条件下,通气空泡内压增大,压差阻力系数和黏性阻力系数呈减小趋势。

静水压力下纤维缠绕复合材料壳体耐压因子的优化设计（英文）

基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计。结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响。文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考。

围壳形状对潜艇水动力噪声影响数值研究

围壳是水下航行器的突出结构,在水流的冲击下,会产生强烈的水动力噪声。为降低围壳产生的噪声,论文对围壳的外形进行了优化,研究了不同围壳形状对流噪声的影响和抑制效果。结合SST-SBES湍流模型和Ffowcs Williams-Hawkings声类比方法,对水下航行器水动力噪声问题进行了数值模拟。利用已有的试验数据与仿真结果进行了对比,验证了数学模型的可靠性。参数化分析了不同外形的围壳前缘和后缘对水下航行器流场和噪声的影响。结果表明,围壳前缘加装填角可以有效抑制噪声,整体声压级可以降低9.3 dB。

超空泡航行体高速入水空泡与载荷特性数值分析

超空泡航行体高速入水过程中的空泡特性与载荷特性对其航行高速性与安全性十分重要,为获得入水角度与速度对超空泡航行体空泡和载荷特性的影响,建立了基于VOF模型的超空泡航行体高速入水数值模型,并通过实验验证了模型的准确性。通过仿真对比了不同角度和速度下超空泡航行体入水的空泡演变过程、空泡尺寸、冲击载荷变化、航行体表面压力分布,结果表明:随着入水速度增大,空泡闭合位置的深度增大,空泡尺寸增大,轴向载荷峰值增大,航行体表面压力增大;随着入水角度增大,空泡闭合时间不变,空泡尺寸减小,轴向载荷峰值增大,压力分布不对称性减弱。空化器迎流面压力沿着半径向圆心方向增大,但斜入水时的不对称现象减弱。