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水下无人系统学报 2024年第3期32卷 434-450页

作者：陆德顺张少谦王浩宇孙铁志大连理工大学船舶工程学院工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024

为探究跨介质飞潜器水面起降过程流场结构演变及自身运动特性,基于计算流体动力学数值仿真技术,耦合流体体积多相流模型、剪切应力传输k-ω湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型以及Stokes 5阶非线性波理论,构建了飞潜器水面起降的数值计算... 详细信息

为探究跨介质飞潜器水面起降过程流场结构演变及自身运动特性,基于计算流体动力学数值仿真技术,耦合流体体积多相流模型、剪切应力传输k-ω湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型以及Stokes 5阶非线性波理论,构建了飞潜器水面起降的数值计算方法。分别对静水环境下飞潜器水面起飞过程、有/无波浪环境下飞潜器水面降落过程进行数值仿真,分析了各过程飞潜器动力学响应、载荷变化情况以及自由液面流场演化过程。结果表明:在整个静水环境下水面起飞过程中飞潜器均能保持稳定的姿态,其周围流场结构及自由液面演化均具有强对称性;在水面降落过程中,飞潜器及导管底部受到较大的反向砰击力,导致飞潜器姿态出现一定程度的振荡,在经过多次衰减波动后能够快速恢复平稳状态;而波浪的存在会加大触水时刻飞潜器所受到的砰击载荷,加剧飞潜器姿态的振荡,延后姿态最终恢复平稳时间。

关键词：跨介质飞潜器水面起降动力学砰击载荷

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跨介质飞潜器构型设计及流体动力性能特性研究

跨介质飞潜器构型设计及流体动力性能特性研究

引用

作者：陆德顺大连理工大学

学位级别：硕士

跨介质飞潜器是一种能够在空中、水面和水下作业,并且具有多次跨越气、水两相介质能力的航行器,在船舶与海洋工程领域具有非常广阔的应用前景。本文提出一种变构型四旋翼式跨介质飞潜器方案,对其主体构型及局部结构进行了详细设计,对其... 详细信息

跨介质飞潜器是一种能够在空中、水面和水下作业,并且具有多次跨越气、水两相介质能力的航行器,在船舶与海洋工程领域具有非常广阔的应用前景。本文提出一种变构型四旋翼式跨介质飞潜器方案,对其主体构型及局部结构进行了详细设计,对其推进系统动力性能进行了评估,并对其空中飞行、水下潜行以及水面起降过渡转换模式运动过程进行了分析。主要研究内容及成果如下: 首先,基于四旋翼无人飞行器和无人潜航器的设计理念,形成兼顾气、水动性能的外形设计方案。参考抹香鲸主要形体特征进行主体构型仿生设计,针对艏部构型进行局部优化,并分别对不同尖削程度艏部构型在倾斜入水时冲击载荷特性进行分析,形成飞潜器主体构型设计方案。确定其空中飞行状态采用四旋翼式X型交叉布局,水下潜行状态采用中部双侧导管推进器布局。并分别开展局部结构详细设计以及变体方案设计。其次,针对空中旋翼及水下导管推进器分别开展气/水动性能研究。结果表明旋翼产生的拉力和功率均随之增大,而转速过高时,其整体推进效率会降低。随着悬停高度的降低,旋翼气动效率会有所提高。但在旋翼紧贴液面悬停时,脱落的翼尖涡会扰乱了入流区气流,导致旋翼气动效率急剧降低。导管的存在能够改善尾流区的涡旋结构,增大整体推力。导管与螺旋桨共同运动会降低整体推力且使螺旋桨扭矩增大。导管截面厚度的增大使螺旋桨所受净推力减小而总推力增大;导管尾缘收缩率的增加,会使螺旋桨扭矩、推力和整体推力均增加,且随着收缩率增大,推力增大更加明显。然后,针对所提出四旋翼式变构型飞潜器分别进行气水动航行性能研究。结果表明飞潜器定高悬停时,旋翼下洗气流主要受机臂结构影响,会造成一定程度的动力损耗,但其工作效率几乎不受影响。飞潜器垂直拉升时,其速度随旋翼转速增大而增大,且最终呈近似线性趋势,并具有明显的抬首趋势。飞潜器水下直航时,航速与螺旋桨转速近似呈线性关系,而俯仰力矩始终为负值,且随着螺旋桨转速的增大绝对值逐渐减小。飞潜器水下回转时,螺旋桨转速对于回转半径几乎不产生影响,回转半径仅随着尾鳍偏转角的增大而减小,且两侧螺旋桨动力特性存在明显差额。最后,根据飞潜器介质跨越方式分别开展倾斜出入水及水面起降运动过程研究。结果表明飞潜器在介质跨越过程中具有良好的姿态稳定及调整能力。倾斜入水过程中在艏部触水及导管触水均会产生明显的加速度峰值,艏部入水后没有明显空泡产生,导管前缘产生了明显的空泡,并沿入水轨迹向机身后侧发展,导管内部螺旋桨在受到导管内进水砰击作用后载荷出现了明显突变及振荡现象。随着入水过程的进行,飞潜器俯角持续减小并逐渐与自由液面平行,最终进入水下航行状态。在水面起飞过程中飞潜器均能保持稳定的姿态,其周围流场结构及自由液面演化均具有强对称性。在水面降落过程中,受到砰击后飞潜器姿态会出现一定程度的振荡,在经过多次衰减波动后能够快速恢复平稳状态。

关键词：跨介质飞潜器导管推进器介质跨越流场演化载荷特性

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