HAG-UUV机翼挂载飞行状态流体特性仿真

利用数值仿真的方法研究了高空滑翔无人水下航行器(HAG-UUV)在机翼下挂载飞行状态的流体动力特性.在水平面和铅垂面内,分别分析了HAG-UUV受到的流体扰动.考虑机翼与HAG-UUV的耦合状况,运用Ansys CFX软件完成了数值仿真.研究了无人水下航行器浮心到机翼中线距离540~940mm、攻角-5°~20°及侧滑角-15°~15°等工况对挂载状态的影响,绘制了对HAG-UUV受到的流体作用力和力矩曲线.结果表明:UUV浮心到机翼中线距离小于760mm时壁面效应明显,HAG-UUV在竖直方向受到的流体作用力显著增加;攻角变化会极大改变UUV受到的流体作用,当侧滑角从-15°变化到15°时,UUV受到的流体作用并不关于0°侧滑角对称.当侧滑角为0°时,UUV仍受到流体侧向作用力和偏航力矩的干扰,产生这一现象的原因在于后掠型机翼使流场产生侧向诱导速度.     

锥形空化器的流体动力特性及其影响因素

为了分析锥形空化器的力学和流体动力学特性,对特定空化器进行水洞实验,针对各种锥角的空化器的流体动力特性进行仿真分析,并将实验与数值仿真计算的结果进行对比.结果表明:锥形空化器的锥角对其力学特性影响很大,并具有特定的变化规律;空化器的攻角对空化器的升力和阻力均有一定的影响,且不同锥角的空化器所受的力随攻角变化的规律不同.     

带减阻杆的高超声速弹丸气动特性研究

为了研究带减阻杆的高超声速弹丸气动特性,基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式、k-ω SST两方程湍流模型,采用有限体积法求解三维Navier-Stokes方程,并对数值方法的有效性和可靠性进行了验证.在此基础上,对带减阻杆的高超声速弹丸流场进行了数值模拟.研究结果表明:基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式发展的数值方法可信度较高,能用于弹丸气动特性数值计算;在减阻杆长度一定条件下,随着马赫数的增大,减阻率将提高;在一定的减阻杆长度、马赫数下,随着攻角的增大,全弹总阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数将增加;减阻杆基本不会影响弹丸的升力和俯仰力矩.研究结果为高超声速弹丸工程设计提供参考.     

超空泡航行器扩张尾裙流体动力特性试验研究

为了研究超空泡航行器扩张尾裙的流体动力特性,采用模块化设计方法设计了5种不同外形的扩张尾裙试验模型,并在11m/s恒定水洞水速下通过调节通气系统控制通气流量、改变模型气泡包层内压力和通气空化数,分别对系列不同结构参数的扩张尾裙模型进行了超空泡流体动力特性的比对试验研究。试验中分析了不同的通气量、半锥角(2°,4°,6°)和底面直径(Φ43 mm,Φ45mm,Φ47mm)的扩张尾裙对空泡尾部闭合流型的影响规律,讨论了沾湿面变化规律对航行器尾部流体动力特性的影响。结果表明,扩张尾裙的阻力系数、升力系数都随着半锥角(尾裙底径)的增大而增大,相对而言对阻力的变化更敏感,升力方向变化率较小。该结果对进一步深入开展头部空化器、尾裙控制面与推力矢量配合的流体动力布局设计提供了有力的技术支撑。     

带锥形空化器超空泡航行体的空泡与力学特性

为了研究带锥形空化器的超空泡航行体的空泡形态与流体动力之间的关系,以及锥形空化器与尾裙结构对航行体性能的影响,通过数值计算方式,对航行体模型在常用空泡流型下进行了仿真,研究了带锥形空化器航行体的空泡形态与攻角之间的关系以及相对应的流体动力的特性,论证了超空泡航行体空泡形态变化过程的普遍性,分析了大攻角时空化器的空泡与航行体空泡之间的差异,从流体动力方面对超空泡航行体的锥形空化器和尾裙之间的配合性进行了研究.结果表明,超空泡航行体流体动力与沾湿状态随攻角变化有特定的变化规律,锥形空化器与尾裙配合的结构在自导超空泡航行体上能够提高航行体的机动性能.     

高速水下无人航行器仿生外形设计与阻力数值预报研究

为了研究水下无人航行器（unmanned underwater vehicle,UUV）的外形因素对阻力性能的影响,利用计算流体力学方法对不同航行器外形展开阻力预报及分析。对于水下高速UUV而言,优异的阻力性能对UUV的航速和续航能力的提升都是至关重要的。针对某高速UUV的减阻需求,首先结合SUBOFF标准模型进行了阻力特性数值预报,与试验数据对比验证了预报方法的适用性;在此基础上,模仿鲨鱼和海豚的外形特征设计了2种UUV水动力外形构型,针对2种外形构型分别预报了带有不同附体构型的阻力特性,得到了一种相比SUBOFF艇形具有明显减阻效果的UUV水动力外形。研究对低阻型高速UUV的外形设计具有一定的参考价值。     

两种典型尾翼形状对无伞末敏弹气动特性的影响

为研究尾翼形状对双翼无伞末敏弹减速导旋性能的影响,分别对平板尾翼和S-C形尾翼结构末敏弹的气动特性进行研究。基于计算流体力学方法,获得了末敏弹气动外形的流场特性、表面压力分布和阻力系数、升力系数和转动力矩系数随攻角变化的规律。通过自由飞行试验对平板尾翼和S-C尾翼末敏弹进行了动态气动特性研究。数值计算结果显示,平板尾翼和S-C尾翼模型阻力系数在6～9间,其增阻效果明显;两模型升力系数均呈负线性变化,尾翼形状对升力系数影响较小;尾翼形状对转动力矩系数影响明显,平板尾翼几无转动力矩产生,S-C尾翼转动力矩相对较大并随攻角增加而减小。自由飞行试验表明,S-C尾翼结构自由飞行状态下增阻效果好于平板尾翼,并可使弹体获得转动力矩而维持稳定转速,能够实现稳态扫描运动。平板尾翼末敏弹自由飞行稳定性差。     

入水角度对高速射弹入水过程的影响

研究入水角度对高速射弹入水过程的空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律,计算中使用VOF(volume of fluid)多相流模型,Schnerr and Sauer空化模型,同时结合重叠网格和6DOF(degrees of freedom)技术对射弹的入水过程开展数值模拟.结果表明:射弹两侧空泡形态不对称,与左侧空泡相比,右侧空泡尺寸较大;射弹入水以后,入水角越小,射弹质心处的速度越大;入水角为45°时,俯仰角、偏航角、滚转角的波动范围更小;射弹在撞击水面时,阻力和升力岀现了一个峰值,但侧向力没有岀现峰值,而是一段微小的波动;入水角度对射弹流动稳定阶段的滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩影响非常小.     

折叠式主弹翼气动特性研究

针对制导航弹的气动设计要求,设计了一种前后折叠式弹翼.并使用数值计算和工程计算方法研究前后折叠式弹翼、钻石背弹翼以及后折前张式弹翼的气动特性.计算结果表明:前后折叠式弹翼与钻石背弹翼升力系数在攻角较小时接近,在攻角较大时,前后折叠式翼的升力系数大于钻石背弹翼;前后折叠式弹翼的升阻比最大;后折前张式弹翼的外形滚转阻尼力矩系数最小;钻石背弹翼的外形滚转阻尼力矩系数最大.     

合成射流用于动态失速控制的数值模拟

动态失速是限制相关机械或飞行器性能的重要因素,因而对动态失速控制的研究具有重要的工程意义.以二维非定常可压RANS方程为控制方程,采用Jameson中心有限体积法,对攻角作α=15°+10°sin(ωt)变化的亚音速俯仰振荡NACA 0012翼型的流场进行了数值模拟,并对合成射流在此工况下的控制效应进行初步研究,分析作动器频率、射流动量系数及作动器位置对控制效应的影响.计算结果表明,加控制后能明显地提高最大升力、减少阻力.     

螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响

论述了螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响．通过分析试验数据,获得了螺旋桨负荷系数对潜艇水动力的改进数学模型．应用这一数学模型,对潜艇在螺旋桨变负荷情况下的大机动运动特性进行了分析,计算表明螺旋桨负荷系数对这类机动具有明显的影响．     

弗劳德数对超空泡尾部流体动力修正方法

由于水洞流速较低,受弗劳德数影响,水洞实验条件下空泡形态存在上漂现象,实验得到的运动体尾部流体动力特性也因此受到影响.为了消除弗劳德数对实验结果的影响,得到较为合理的尾部升力曲线,采用有攻角情况下滑行状态时的升力减去零攻角时对应的升力的办法来修正实验结果,采用数值模拟方法证明了此方法的可行性.提出了对应通气率和对应空泡状态两种方法来对应相减.对两种方法的优劣进行了比较.采用此方法修正后的尾部流体动力曲线基本消除弗劳德数影响,曲线较为合理.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.     

基于动态面搭接网格技术的双发螺旋桨数值模拟研究

基于动态面搭接网格技术,生成双发螺旋桨/短舱/机翼构型在三种不同螺旋桨旋转组合下的计算网格,并分别对不同旋转组合下的流场进行了数值模拟,并对比分析了螺旋桨不同旋转组合下的螺旋桨滑流流场结构和螺旋桨滑流对机翼气动力的影响。仿真计算结果表明,三种旋转组合方式中,在0～2度攻角范围内,反对转的升力系数最大;在2～6度攻角范围内,双发螺旋桨对转的升力系数最大;在6度以上攻角时,双发螺旋桨反对转的升力系数最大。     

复合材料螺旋桨水动力性能与结构响应数值研究

通过CFD计算复合材料螺旋桨水动力载荷,应用有限元法计算复合材料桨结构响应,并基于双向耦合算法实现复合材料螺旋桨在均匀来流下的流固耦合数值模拟.研究了不同进速系数和不同铺层角度工况复合材料螺旋桨的水动力性能及结构响应.结果表明,在进速系数J ≤ 0.8时,复合材料螺旋桨的推进效率明显高于同工况下的金属螺旋桨.随进速系数增加,复合材料螺旋桨推进效率先增加后减小,在进速系数J = 0.8时取得最大值.桨叶总变形和等效应力分布与铺层角度有较大关系.复合材料螺旋桨的螺距角较金属螺旋桨减小,减小的螺距角与桨叶攻角的变化相匹配,自适应地提高了该螺旋桨的推进效率.      

基于合成射流的高空飞艇分离流控制

采用数值模拟方法研究了基于合成射流技术的高空飞艇流动控制方法。将合成射流装置安放在飞艇表面,靠近分离线处,并沿分离线布置,通过合成射流口吹吸空气产生涡流,并将其注入边界层内来达到延缓流动分离,进而达到减阻和大迎角阵风减缓的目的。研究首先利用对原始飞艇进行仿真,找到分离线的位置,进而研究了合成射流口出射速度幅值不同时飞艇阻力系数的变化,并以此来分析合成射流的流动控制效果。结果表明,射流口吹吸速度幅值越大,时均减阻效果越好,但射流的能量消耗也越大,气动力的脉动幅值也大。在扣除合成射流本身的能量消耗影响以后,最优的时均控制效果发生在迎角30°左右。研究结果显示,合成射流可以用来降低飞艇小迎角下的巡航阻力,也可以用来控制大迎角情况下的瞬态气动力,从而作为阵风减缓措施。     

高空远程滑翔无人水下航行器气动参数估算

为了研究高空远程滑翔无人水下航行器（UUV）气动参数特性,根据飞机气动参数估算的方法,通过类比方式在小迎角、小侧滑角和尾翼偏转不大的情况下对高空远程滑翔UUV的纵向、横向气动参数和操纵导数进行计算.结合风洞试验结果进行对比分析,结果证明：计算和试验结果显示了良好的一致性,通过2种方式获得的气动特性均满足航行器的低阻特性和静稳定性要求,说明借鉴飞机参数的估算方法是可行的,为进一步对航行器的弹道设计、载荷计算、控制参数的选择和完善设计提供有力依据.
     

鱼雷导引及弹道仿真研究

本文以未来方位导引法和逐次变提前角导引法为例,建立了鱼雷的线导与自导导引弹道模型,并进行了仿真,获得了鱼雷与目标相对运动条件下,鱼雷、目标和导引站的运动轨迹,以及鱼雷与目标相对距离随时间的变换曲线和攻击效果。该研究已被用于鱼雷攻击距离的预报。     

基于ADRC的无人机纵向通道控制

根据自抗扰控制器不依赖对象的精确数学模型以及能够对系统模型内扰和外界干扰进行补偿的特点,提出了在无人机纵向通道中引入自抗扰控制器的方法。设计的自抗控制器在不同的飞行状态下,不需要改变控制器参数,就能实现对俯仰指令的精确跟踪控制,以及速度回路与俯仰角回路的解耦控制。仿真结果表明,系统具有良好的动态响应和鲁棒性。     

急倾斜厚煤层顶板运动规律与柔性掩护支架受力分析

应用RFPA^2D模拟软件，分析了柔性掩护支架侧向放煤开采过程中，急倾斜厚煤层顶板运动规律，研究结果与放出椭球体理论研究结果具有很好的一致性：模拟了柔性掩护支架在不同的开采状态下，支架的受力状况和应力变化规律、煤体的应力变化和破坏情况，为安全、高效、合理地应用侧向放煤技术开采急倾斜厚煤层提供依据。