潜水器动态收放缆索过程的动力学仿真研究

调研了解到部分上述高端装备或其他水下平台在水下作业过程中,可能遇到的载荷吊放、载荷拖曳、载荷回收等工况下缆索张力动态非线性变化的问题。基于Ablow提出的缆索偏微分控制方程,通过在采用有限差分法求解过程中动态调整缆索微元的长度进行缆索收放过程仿真,建立了潜水器-缆索-载荷三者间相互耦合的动力学模型,并基于建立的仿真方法对潜水器拖曳载荷进行变深度航行、潜水器变深度直航过程中起吊载荷过程中缆索-载荷系统对潜水器的影响及缆索自身的动态响应特性进行了研究。结果表明:稳定拖曳过程中,由于缆索-载荷系统的阻力,导致速度降低;拖曳起吊过程中的缆索张力变化明显,且缆索张力对收缆的速度变化敏感;拖曳稳定航行段潜水器速度与理论值一致,表明了本文方法的正确性。

潜艇直航操舵水动力尺度效应研究

尺度效应是船舶水动力学研究的一个关键问题。目前,对船舶尺度效应的研究大多集中在阻力性能方面。本文针对水下航行体操纵性能评估的需要,对水下航行体操舵水动力性能的尺度效应进行探讨。以典型潜艇模型SUBOFF为研究对象,采用计算流体动力学方法对不同尺度下的直航操舵试验进行数值模拟,分析网格尺度对不同尺度计算结果的影响。在此基础上,探讨不同尺度下的潜艇绕流场特性,以及作用在潜艇上的水动力及力矩变化规律,对于研究水下航行体操纵性能的尺度效应问题具有一定的借鉴意义。

内波作用下水下航行体应急上浮的运动及水动力数值模拟研究

海洋内波是边缘海普遍存在的现象,非线性内波尤其是大振幅的内孤立波对于水下航行体的安全航行具有重要影响。本文首先采用RANS方法结合运动控制方程,开展内波作用下的水下航行体自由运动过程数值模拟及分析,结果显示,在不采取主动操控措施的情况下,水下航行体被内波快速拖入波谷。然后对该耦合运动过程开展详细分析。在此基础上采用数值计算方法重点研究遭遇内波后实施紧急操控后的应急上浮运动,详细分析该过程的运动及流场特征,并进行理论对比分析。

基于差分进化算法的无人潜航器水平面水动力参数辨识研究

针对无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)水动力参数试验和理论计算的困难性及以往辨识方法优化结果趋于局部最优解的缺点,提出一种基于差分进化(Differential Evolution,DE)算法的UUV水动力参数辨识方法,针对“海翔500X”进行动力学建模分析的基础上,利用该方法对其水平面运动水动力参数进行辨识,与实际值进行比较后,辨识误差在允许范围之内。将辨识结果与粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法及最小二乘(Least Square,LS)算法的辨识结果进行比较,仿真结果表明,应用差分进化算法的参数辨识结果明显优于其他对比方法,证明了算法的有效性与合理性。利用辨识结果对水平回转运动进行预报,差分进化算法的预报回转轨迹与实验数据最为吻合,表明该方法可行、准确,对无人潜航器的水动力参数辨识问题具有指导意义。

海上浮式风力机支撑结构的流固耦合动力学研究

海上漂浮式风力机支撑结构动力载荷的确定不仅对于结构设计、施工过程非常重要,对于设施的运维保障同样重要。水动力载荷的计算可归为基于势流理论的理论模型和基于计算流体动力学的数值模型两类方法。本文简述了两类模型各自的基本原理,明确其优劣,为实际工程应用的合理建模提供参考。对于海洋工程,水池物理模型实验发挥着重要作用。本文以某结构型式的浮式支撑结构的物理模型实验为例,阐述了物理模型实验技术的局限性及改进措施,为工程建设提供必要的技术支撑。

高速水洞中超空泡稳定性与通气率定量试验研究

超空泡航行体通气规律对空泡形态控制具有重要意义。本文描述了在高速水洞中建立水下航行体通气率对超空泡形态及稳定性影响的一种试验研究方法。基于不同空化器和模型攻角条件下的空泡形态及通气率测量试验结果,总结得到无量纲通气率计算的经验表达式。通过对有、无尾翼条件下的通气率试验进行比较,初步获得尾翼对超空泡泄气的影响规律。研究结果表明,通气率需要保持在一定范围内方可获得形状稳定、边界清晰的通气超空泡。依据试验结果给出了超空泡稳定性的判别方法。

基于多目标优化的跨介质航行体水面滑跳初始运动参数设计

基于耦合欧拉-拉格朗日方法,开展了初始运动参数对带滑板跨介质航行体近水面滑跳过程的影响规律研究。采用参数回归方法分别建立最大浸深、最大过载和俯仰角变化3个变量随航行体初始速度、入水角、滑板倾角变化的关系式,得到了跨介质航行体稳定滑跳的参数包络,在入水角2°~5°、滑板倾角10°~25°、速度60~80 m/s范围之间,且在范围内各参数之间会相互制约。在此基础上,基于多目标优化算法获得了最适宜航行体稳定滑跳的初始参数为入水速度60.1 m/s、滑板倾角18.8°、入水角2°,在此参数范围内,跨介质航行体的水面滑跳过程可以在不超过航行体过载要求的条件下获得相对最小的入水浸深和俯仰角变化。

船舶骑浪横甩的非线性动力学特性研究

骑浪是指尾浪下航行的船舶被波浪捕获以波速航行时的运动状态。此时的船舶具有一定的不稳定性,容易导致横甩倾覆等危险情况发生。论文从非线性动力学的角度出发,开展了船舶骑浪横甩的研究,采用4自由度非线性数学模型分析骑浪系统的固定点及其局部稳定性。通过计算发现,利用非线性动力学方法求解得到的骑浪固定点可以分为波峰附近固定点和波谷附近固定点,且两类固定点的局部动力学特性具有明显差异。船舶在波峰附近固定点处具有明显的纵荡不稳定性,而在波谷附近固定点处则具有明显的艏摇不稳定性。根据船舶在骑浪固定点附近的运动迹线,讨论了船舶骑浪横甩过程中的不同运动特性并求解了骑浪阈值。

内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。

水下滑翔机高效滑翔水动力性能研究

借鉴海洋生物高效巡游的运动方式,在传统水下滑翔机概念设计的基础上引入可扭转水翼的概念设想.水翼可根据滑翔机的不同运动姿态,自主调节水翼扭转角,使得水平方向能量输出最大,从而提高航程和续航力.分析了扭转角对滑翔机水动力性能的影响,按自定义的滑翔效率给出了最优扭转角.研究成果可为UUV的发展提供技术支撑和指导.

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法。首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性。

栅格翼空化干扰水动力建模研究

对水下超空泡栅格翼水动力进行了研究.分析了叶片数、叶片间距、叶片厚度、叶片攻角和空化数对栅格翼水动力的影响.揭示了叶片间隙中的空泡流动对水动力的干扰机理.建立了超空泡栅格翼水动力数学模型,并用实验结果进行了验证.最后基于模型解释了实验中发现的栅格翼水动力变化规律.

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。

深海采矿装备水动力问题若干研究进展

深海矿产资源开采技术是海洋资源开发最前沿的技术之一。深海采矿系统由深海采矿船、扬矿系统和海底采矿/集矿机等组成。采矿系统的水动力共性基础技术是采矿系统及装备开发研究需要解决的关键问题之一,论文对深海采矿系统所涉及的采矿装备的水动力问题的最新研究进展进行了总结与分析,以供深海采矿装备技术研究的相关人员参考。

空化器操纵过程水动力试验方法

操纵空化器转角是超空泡航行器姿态控制的常用手段之一,为进一步研究空化器操纵过程中空泡和水动力特性,文中通过精细计算和分析优化,提出并建立了一种空化器操纵过程非定常水动力测量的水洞试验模型和方法。通过在试验模型内部紧凑布置直线电机、位移传感器、压力传感器、传动系统、通气系统以及测力天平,实现了对空化器转角的操纵以及泡内压力和水动力测量功能,静态工况空化器水动力测量结果与经验公式结果对比,证明了该试验方法的有效性。

大型渔业养殖平台水动力特性试验研究

针对新型渔业养殖平台,在解决平台模型一体化设计、网衣模拟方法等关键技术的基础上开展了水动力试验研究;获得渔业养殖平台固有特性和不同环境条件下的运动和系泊受力情况;通过对比分析,掌握了风、浪、流不同环境条件对平台受力的影响。研究结果为平台及其系泊系统的优化设计及安全作业评估提供了有力支撑。

带尾翼射弹跨水中声速斜入水初期弹道数值研究

本文基于CFD方法针对带尾翼射弹跨水中声速斜入水过程开展数值研究,分析射弹入水过程中空泡形态、流体动力及运动稳定性等特性,获得入水速度、入水角、攻角、侧滑角等入水初始参数对射弹入水初期弹道的影响规律。研究发现:(1)射弹跨水中声速入水瞬间的冲击会在水中产生压力波并以声速向周围传播,射弹头部前方始终存在高压区,当速度超过水中声速时,弹头前会存在弱脱体弓形激波随弹体运动;(2)射弹斜入水过程会造成空泡以弹轴为界、上部分开口比下部分大的非对称发展特征;(3)对于本文射弹算例,入水速度主要影响入水轴向载荷,入水角通过影响尾翼撞水时间影响入水弹道的偏转,但其作用相对较弱,攻角和侧滑角通过尾翼撞水后产生的俯仰/偏航力矩成为影响弹道偏转的主要因素;(4)不同参数之间存在耦合影响,入水角的减小会增加正攻角下弹道偏转,降低负攻角下弹道偏转。

碎冰条件下冰区船冰水动力数值模拟研究

本文针对典型冰区航行船建立了CFD和DEM相结合的数值模拟方法。采用CFD方法计算船体流体力,DEM方法计算船体所受碎冰力,流体和碎冰间采用浮力和拖曳力模型。基于上述方法模拟的船冰作用现象与试验现象相吻合,在此基础上,研究了航速和碎冰厚度对船体冰力的影响规律。结果表明:随着航速的增加,船体冰力呈上升趋势,流体阻力的增加速度高于碎冰阻力的增加速度;随着碎冰厚度的增加,船体冰力增大。

一种新型水下栅格翼的空泡水动力试验

为了寻求一种新型的适用于水下航行器上的栅格翼,开展了栅格翼外框剖面形状及格片数量对其流体动力特性影响的试验研究。通过对试验给出的4种栅格翼的流体动力特性研究发现,其中一款低阻力外形栅格翼其剖面形状具有一定的减阻效果;增加栅格翼格片的数量可以提高升力,但同时也会增加阻力;当栅格翼产生空化后,其升力急剧下降,而阻力略有降低。本文的试验结果可以为水下栅格翼的外形设计提供参考。

内波的相似律及其实验室量化模拟关系

弄清内波的相似律和实验室量化模拟关系,是内波缩比模拟试验研究实用化、解决实际海洋中内波相关科学问题和工程问题的前提。本研究从流动的力学相似条件出发,梳理了内波的相似原理,采用内波预报模型分析了分层结构和分层密度差对内波特征的影响,阐明了分层结构相似是内波相似的必要条件,还分析了内波和表面波相似律的制约关系。实验室中分层密度差一般远大于实际海洋跃层的密度差,内波和表面波相似律不能同时满足,缩比实验模拟结果须根据内波和表面波的特征分别按各自的相似准则换算。