水下无人系统学报

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2024, 32(3): 383-383.

[摘要](45) [HTML全文] (37) [PDF 213KB](28)

摘要:

王聪, 许海雨, 马贵辉, 孙龙泉

2024, 32(3): 384-395. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0060

[摘要](647) [HTML全文] (121) [PDF 2436KB](190)

摘要:
近年来跨介质装备受到船舶与海洋、航空航天以及兵器等领域的高度重视, 与跨介质航行器相关的总体方案、关键技术、研究方法以及使用效能等成为研究热点。文章阐述了跨介质航行器动力学相关研究背景, 综述了航行器入水砰击、出入水流固耦合、跨介质仿生、跨介质动力与推进、新质跨介质装备、跨介质动力学试验与仿真技术等方面的最新研究成果和研究进展, 并展望了跨介质航行器发展需要解决的若干前沿关键技术, 以期为促进海空界面动力学与无人系统研究提供借鉴。

水空航行器跨介质策略研究

刘坤, 刘永强, 林好, 肖军浩, 彭辉, 鲁兴举, 卢惠民

2024, 32(3): 396-410. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0038

[摘要](721) [HTML全文] (93) [PDF 6517KB](166)

摘要:
水空跨介质航行器(UAUV)在军民领域均有广阔的应用前景, 近年来成为机器人领域的热点研究对象。文章详细介绍了现有的仿生式、旋翼式、固定翼式和混合式UAUV样机研制现状, 并对其出入水策略进行了综述。总结出UAUV研究中面临的重要问题, 包括仿生构型的优化设计、跨介质过程稳定控制以及动力选择等, 为后续跨介质航行器的研究发展提供借鉴。

跨介质航行器高速入水降载方法研究综述

郑伟, 李强, 范旭东, 吕续舰

2024, 32(3): 411-425. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0029

[摘要](579) [HTML全文] (72) [PDF 10625KB](130)

摘要:
跨介质航行器高速入水过程涉及多相流场与物体间复杂的流固耦合作用, 航行器面临瞬态冲击载荷极易发生结构损坏。文中综述了目前国内外跨介质航行器高速入水载荷特性和降载方法的研究进展, 总结了常见降载方法并分析其优劣, 提出了未来跨介质航行器高速入水降载研究的重点发展方向。

大尺度跨介质航行器高速倾斜入水冲击载荷特性研究

张彤运, 王聪, 许海雨, 夏维学, 马潇健, 赵静

2024, 32(3): 426-433. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0021

[摘要](392) [HTML全文] (35) [PDF 1841KB](61)

摘要:
为了研究大尺度跨介质航行器高速倾斜入水冲击载荷特性, 基于流体体积多相流模型耦合S-DOF刚体运动模型构建了跨介质航行器高速倾斜入水三维非定常数值计算模型, 采用细长体高速入水自由运动试验数据对数值计算模型的计算精度进行了校核及验证, 对比研究了平头、锥头头型高速倾斜入水的冲击载荷特性。结果表明: 锥头头型入水的最大轴向、纵向冲击载荷发生的时间几乎同步, 而平头头型最大轴向冲击载荷相比纵向载荷发生的时间显著延迟; 对于最大冲击载荷, 平头头型的轴向冲击载荷大于其纵向冲击载荷, 而锥头头型的轴向、纵向冲击载荷几乎相同; 相较于平头头型, 锥头头型的轴向冲击载荷显著降低, 45°入水时, 其最大峰值约为平头头型的1/3。

跨介质飞潜器水面起降过程流场及运动特性研究

陆德顺, 张少谦, 王浩宇, 孙铁志

2024, 32(3): 434-450. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0042

[摘要](368) [HTML全文] (51) [PDF 7328KB](72)

摘要:
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。

不同头型回转体高速入水运动过程对比研究

王余, 熊永亮, 田轩麾, 周福昌, 刘翱, 孙国仓

2024, 32(3): 451-462. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0028

[摘要](327) [HTML全文] (73) [PDF 7106KB](59)

摘要:
跨介质回转体高速入水是一个瞬态流动过程, 涉及到回转体与气相和液相的复杂多相流动。文中基于雷诺时均方程, 并考虑自然空化现象的多相流模型, 建立了入水空泡动力学数值模型, 并研究了不同头型回转体垂直入水过程运动特性和流体动力的影响规律。通过数值仿真结果与相关文献试验结果对比, 验证了模型和数值方法的有效性。结果表明, 不同头型回转体入水后的空泡特征与运动速度规律有很大的差异, 相应瞬态阻力系数也表现出很大差异; 在空泡闭合前, 体现出明显的回射流效应, 并影响空泡形态与回转体阻力的变化; 回转体的入水速度对空泡尺寸和冲击载荷具有非常直接的影响, 入水速度较低时回转体速度衰减相对更快, 阻力系数相对更大。

跨介质航行器入水过程数值仿真

刘平安, 高宏涛, 杨彦熙, 黄曦, 高崧, 嵇振涛

2024, 32(3): 463-473. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0023

[摘要](375) [HTML全文] (47) [PDF 4018KB](82)

摘要:
航行器跨介质入水过程往往伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性, 不仅会加剧流场的复杂性, 还使其所受的作用力呈现出较强的非定常性和非线性。文中建立了航行器入水过程的数值计算模型, 采用流体体积模型捕捉气液交界面, 使用Schnerr-Sauer模型对跨介质过程中产生的空化过程进行描述。对不同通气量和空化器倾角下的跨介质航行器入水过程进行仿真计算, 研究了跨介质过程中的流场和空泡演化规律, 分析并得到了航行器跨介质过程中的流体动力学特性以及运动特性。仿真结果表明, 航行器在入水过程中会随着通气量的变化而呈现出2种不同的姿态变化模式: 增角速度拉平模式和周期俯仰式拉平模式, 不同模式下航行器的入水拉平过程会呈现不同运动特点；此外, 空化器倾角的增加和通气量的降低可以提高航行器在跨介质入水过程中的姿态变化速率。

入水速度对冰孔约束下圆柱体倾斜入水过程的影响分析

鹿麟, 杨哲, 陈凯敏, 程勇东, 杨帅

2024, 32(3): 474-481. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0027

[摘要](318) [HTML全文] (58) [PDF 4432KB](55)

摘要:
针对极地环境下超空泡圆柱体入水问题, 基于雷诺平均方程引入流体体积模型, 结合重叠网格技术建立了冰孔约束下圆柱体入水数值仿真方法。在此基础上, 开展不同入水速度下圆柱体穿越冰孔入水过程仿真, 分析了圆柱体入水过程中的空泡演化与载荷特性。研究结果表明: 冰孔约束限制了孔内水域的流动, 进而改变了表面喷溅的状态及空泡壁的形态, 以至延迟了空泡表面闭合时间。随着入水速度的增大, 冰孔约束对空泡形态的限制作用基本一致, 圆柱体头部出现了更大范围的高压区域, 且呈现出非对称分布; 冰孔约束增大了圆柱体入水冲击载荷, 使得圆柱体水下速度加快衰减, 并促使圆柱体偏转角度大于无冰工况。研究结果可为极地超空泡武器入水稳定性提供参考。

空心弹入水射流与空化特性仿真

项珺邦, 王晓光, 康会峰, 宣佳林, 杨柳

2024, 32(3): 482-488. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0163

[摘要](346) [HTML全文] (76) [PDF 1525KB](60)

摘要:
空心弹入水过程中, 高速水射流的产生是影响其入水的关键。为深入研究空心弹通孔孔径对射流和入水特性的影响, 文中建立了不同孔径的空心弹垂直入水仿真模型, 并对比分析了不同孔径弹丸的孔内压力特性与空泡发展差异。分析结果表明, 孔径比与初始碰撞时刻的孔内压力强度有关, 且随着孔径比的增加, 射流的高度与速度均有所降低, 这与通孔内的压力梯度现象有关; 同时, 压力梯度的强度随着孔径比的增加而降低。文中还对空心弹空化现象发展进行了简要描述, 分析了孔径比对空化现象的影响, 可知随着孔径比的增大, 弹体产生的蒸汽量逐渐减少, 空泡闭合时间提前。

气射流协助圆盘头部航行体入水空泡特性实验研究

甄梓坤, 邹志辉, 蒋运华

2024, 32(3): 489-495. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0041

[摘要](284) [HTML全文] (53) [PDF 1656KB](43)

摘要:
针对跨介质航行体快速稳定穿越自由液面的需求, 以及目前跨介质过程中存在过大冲击载荷对结构和仪器的破坏、空泡溃灭与复杂非定常多相流动下的弹道失稳等问题，探索采用在航行体头部提供向前射流协助其快速稳定穿越自由液面, 射流穿透并改变自由液面的流场结构, 以达到降低过大载荷的目的。为研究气射流协助圆盘头部航行体入水空泡多相流动特性, 开展了向前喷气协助圆盘头部航行体入水实验。分析了入水过程中所形成的空泡形态, 以及气射流冲击液面过程中开口空泡的形成及演化过程, 探讨了不同通气口径和通气量对空泡直径、射流长度等的影响。实验结果表明: 开口空泡形成过程包括液面凹陷、液面振荡、形成流动和空泡形成4个阶段, 开口空泡直径和深度随通气口径增大而减小, 随通气量增大而增大。

不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算

褚悦, 刘平安, 黄曦, 高崧, 嵇振涛, 周小虎

2024, 32(3): 496-506. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0017

[摘要](320) [HTML全文] (61) [PDF 2464KB](55)

摘要:
航行器出水过程极其复杂, 伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性, 其所受作用力呈现强的非定常、非线性。国内外对航行器带空泡出水问题的研究, 多为航行器垂直或者倾斜出水, 关注点往往为航行器运动轨迹及姿态, 对超空泡航行器出水过程研究较少。文中基于STAR-CCM+软件, 采用重叠网格技术进行网格划分, 使用流体体积(VOF)多相流模型捕捉气液交界面, Schnerr-Sauer模型描述航行器周围的空化过程, 建立了航行器出水过程的数值计算模型。对航行器在不同航行条件(初始速度、初始水深、通气量)下的出水过程进行仿真计算, 得到了不同工况下的流场和空泡演化规律, 分析了超空泡航行器的流体动力特性与运动特性。仿真结果表明, 不同初始运动速度的航行器, 其水下运动呈现出2种不同的模式。不同水深下, 初始空化数不同, 在较深的水域航行器周围空泡更容易破裂, 加大通气量可有效改善空泡形态。

冰孔约束条件下航行体垂直出水空泡演变数值研究

王浩, 黄振贵, 陈志华, 郭则庆, 王一航, 刘想炎, 那晓冬

2024, 32(3): 507-515. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0020

[摘要](229) [HTML全文] (31) [PDF 2353KB](41)

摘要:
高纬度地区在冬季不可避免地出现结冰期, 考虑到低温冰区水下发射过程中面临冰层裂隙的特殊力学环境, 扩展低温冰区中的潜射海洋装备具有重要的工程价值。浮冰的存在必然增强潜射航行体高速出水过程中的非线性。文中采用动态流体相互作用模块对航行体建立6自由度运动模型, 通过对不同冰孔尺寸、冰孔形状约束条件下潜射航行体的水下运动及穿越水面阶段对比分析, 探究冰孔对出水空泡演变的影响。研究发现: 在冰孔约束出水过程中, 冰孔对空泡具有明显的束缚作用, 且束缚作用随着冰孔尺寸的减小而增强; 相同冰孔形状下, 冰孔尺寸越小, 其对航行体俯仰运动特性影响越大; 相同冰孔尺寸下, 圆形冰孔对航行体俯仰运动特性影响大于正方形和三角形冰孔。

自然空化尾空泡内超声速射流流场特性数值研究仿真

曹越, 俞建阳, 汪思航, 吕凌云, 陈浮

2024, 32(3): 516-524. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0059

[摘要](217) [HTML全文] (25) [PDF 3968KB](34)

摘要:
为揭示自然空化尾空泡内超声速流场的演化规律与空泡内部的流场结构, 文中基于限体积法流体体积多相流模型, 对自然空化尾空泡内超声速射流流场展开仿真研究, 对比了不同空化数和来流攻角下的空泡内部流场参数分布, 得出如下结论: 自然空化尾空泡在超声速射流入射后, 空泡形态较稳定, 其演化主要集中在空泡尾部闭合处; 空泡内超声速射流流场发展主要受回射流影响, 无来流攻角时受回射流冲击, 射流轴向发展受抑, 轴向射流出现“回缩”现象, 有来流攻角时, 回射流位置发生偏移, 其剪切卷吸作用占主导, 射流轴向发展迅速; 航行器姿态的稳定性主要受来流冲击和表面高压区分布的影响, 空化数较小时, 增大来流攻角可大幅度增加航行器俯仰力矩。

跨介质航行器水下弹道特性分析

石泽林, 褚悦, 黄曦, 高崧, 嵇振涛, 刘平安

2024, 32(3): 525-534. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0022

[摘要](220) [HTML全文] (44) [PDF 2139KB](56)

摘要:
为了研究跨介质航行器的水下弹道及相关动力学特性, 以某跨介质航行器为研究对象, 基于动量定理和动量矩定理建立动力学方程, 并对不同速度和空化器倾斜角下的动力学特性进行分析。结果表明: 增加初始速度会使航行器水平航行距离和航行深度略微减少, 速度下降变快; 增加空化器倾斜角亦会导致航行器水平航行距离和航行深度略微减少; 减小初始角度对航行器水平航行距离与结束计算时的角度有较大影响, 但几乎不影响加速度与受力特性。

空水跨介质鱼雷动力推进系统构型比较分析

罗凯, 秦侃, 黄闯, 封启玺, 李代金, 党建军

2024, 32(3): 535-541. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0018

[摘要](312) [HTML全文] (49) [PDF 895KB](78)

摘要:
目前外军装备的跨介质鱼雷均为助推运载器+鱼雷战斗部的构成形式, 空水复用动力推进系统可使运载器与鱼雷合二为一, 从而有效提高水下攻击有效载荷量与航程, 且全寿命成本低廉, 并有发展多次出入水功能的潜力。空水复用动力推进系统在常规鱼雷动力系统的基础上改造, 使之具备空中推进和多模式切换的能力。文中针对3类可能的空水复用动力推进系统构型, 从运行原理、系统性能、燃料选择、系统控制、研发难度以及发展潜力等方面展开讨论。研究结果表明, 对于轻型跨介质鱼雷, 可采用单一OTTO-II燃料的构型, 对于重型鱼雷则倾向于采用煤油和OTTO-II双燃料双燃烧室系统的构型。

不同水深对水下斜切式喷管燃气射流影响分析

齐梓宇, 李昊锟, 张益敢, 刘华坪, 叶永晧

2024, 32(3): 542-551. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0030

[摘要](300) [HTML全文] (52) [PDF 3961KB](38)

摘要:
通过斜切式喷管喷气进行推力矢量控制, 可以实现对航行器的姿态控制和轨迹调整, 提高其机动性能和稳定性。为探究斜切喷管在水下的工作状态, 基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积函数模型, 对不同水深条件下的斜切式喷管燃气射流的流场特性及推力特性开展仿真研究, 分析了燃气射流与水介质的相互作用过程以及喷管推力特性的变化。研究表明: 燃气泡经过4个阶段的发展之后, 形成顶部的气囊及喷口近场的锥形气体通道, 气囊边缘在剪切涡作用下脱离形成气团; 喷口波系的形态和位置随水深而变化, 射流边界受限于燃气泡边界, 二者相互作用, 导致射流后续演化的不稳定; 射流对平板壁面的影响呈非对称性, 长边侧受影响域大于短边侧; 同一时刻, 水深越大, 喷管推力数值越小, 推力方向波动越剧烈。研究结论可为推进水下推力矢量喷管的应用提供参考。

基于随机森林动态集成的水下尺度目标识别

曹涛, 邓剑晶, 岳玲, 李永胜

2024, 32(3): 552-557. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0054

[摘要](153) [HTML全文] (26) [PDF 1180KB](45)

摘要:
正确识别目标是水下声自导武器攻击敌方目标的关键。文中提出一种基于动态选择集成技术的水下声自导武器实时目标识别方法。利用水下声自导武器主动宽带探测波形照射下目标不同的反射特性, 从目标宽带相关检测输出提取了能量分布和空间分布统计特征, 并构建了基于随机森林的动态选择集成模型, 利用海试数据集进行训练与测试。仿真分析表明, 文中所提出的动态集成模型识别效果优于其他分类算法, 可以较好地应用于水下声自导武器目标识别中。

Li/SF₆反应动力学参数及燃烧现象研究

吴浩齐, 骆政园, 白博峰

2024, 32(3): 558-564. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0108

[摘要](161) [HTML全文] (63) [PDF 2435KB](37)

摘要:
为探究不同温度及压力条件下锂/六氟化硫(Li/SF₆)燃烧现象及反应动力学参数, 利用激波诱导高压热载荷激励Li/SF₆燃烧实验台测量了温度范围为830 ~1 400 K, 压力范围为0.8 ~11 atm时的点火滞燃期; 利用可视化实验段探究了Li/SF₆燃烧过程和基本发光现象等规律; 利用点火滞燃期与温度和压力呈现出的典型Arrhenius依赖关系, 通过多元线性回归法得出反应动力学参数。研究结果表明, Li/SF₆燃烧的点火滞燃期随温度和压力的升高而减少, 发光现象随压力的升高由红色孤立火核逐渐转化为白色明亮火焰, 并结合实验测定的点火滞燃期求出了指前因子 A 、指数因子 n 和活化能 Ea, 为明晰燃烧特性、构建数值仿真提供了重要依据。

特种缓冲油缸温度适应性研究

代绍缘, 李开福, 陈俊锋, 段浩

2024, 32(3): 565-571. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0105

[摘要](123) [HTML全文] (35) [PDF 2926KB](16)

摘要:
在进行水中兵器减振降噪的研究过程中, 发现作为其重要传动部件的特种缓冲油缸是主要噪声源之一, 因此特种缓冲油缸的缓冲装置设计尤为重要, 而对缓冲效果的预测是缓冲设计的核心问题。由于特种缓冲油缸工作情况的特殊性, 其大多数时间都处于待机状态, 当间隔很长时间后启动时, 缓冲腔内的液压油温度等于所处安装环境温度, 一次启动和后续启动之间缓冲腔内的液压油会有较大的温差。为了保证在极端温度条件下也能满足工作要求, 需对特种缓冲油缸进行温度适应性研究。文中首先建立了特种油缸运动过程的数学模型, 在油液极端温度10±2 ℃、40±2 ℃, 供油压力7.5±0.2 MPa条件下, 利用Fluent软件进行了流场数值仿真。然后在大型温度箱中进行了温度适应性试验, 分别检测了2个极端温度条件下特种缓冲油缸的全行程运动时间和振动加速度级等参数。经对比发现, 试验结果与理论分析相近, 符合相应指标要求, 可为特种缓冲油缸的设计和减振降噪提供参考。

受限空间内水下爆轰燃气射流发展特性

徐祗乾, 康杨, 李宁, 黄孝龙, 李灿, 翁春生

2024, 32(3): 572-581. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0104

[摘要](224) [HTML全文] (68) [PDF 2976KB](31)

摘要:
为探索脉冲爆轰水冲压发动机水下工作时导水器内燃气射流发展特性, 利用可燃气体的爆轰在水下受限空间内产生脉动气泡, 对爆轰管在圆筒形受限空间内的水下爆轰燃气射流进行了数值仿真与实验验证。基于雷诺时均基本方程组与k-ε两方程模型耦合流体体积气液界面追踪方法的相输运方程建立受限空间中水下单次燃气射流流场流动模型, 使用OpenFOAM中的Compressible Inter Foam求解器对受限空间中脉冲爆轰燃气射流进行数值求解。结果表明: 受限空间对水下爆轰的前导激波的影响较小, 前导激波幅值与自由空间相比变化不大, 由爆轰燃气射流所引起的压力扰动大幅升高且持续时间明显增加, 受限空间中各处压力显著高于受限空间之外; 受限空间中燃气泡的脉动周期延长至60 ms左右, 然而受限空间径向尺寸对燃气泡的脉动周期影响较小。可见, 受限空间可提高水下爆轰管出口近场压力并延长燃气射流作用时间, 研究结果对脉冲爆轰水冲压发动机推力性能提升方法研究具有重要指导作用。

故障诊断和预测技术及其在水下无人系统的应用

程文鑫, 肖安康

2024, 32(3): 582-590. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0064

[摘要](174) [HTML全文] (64) [PDF 789KB](53)

摘要:
水下无人系统作为一个有机的整体, 其集成化程度越高、结构越复杂, 出现故障的可能性就越大, 由此带来的风险及损失也会越大。针对此, 文章对国内外故障诊断与故障预测方法研究现状进行综述, 详细介绍了故障诊断和预测技术的研究现状及其在水下无人系统领域的应用。同时分析了故障诊断与预测技术的未来发展趋势, 以期在提升水下无人系统可靠性与安全性方面提供借鉴。

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