AUV的图优化海底地形同步定位与建图方法

海底地形辅助导航技术可为智能水下机器人(AUV)的长时间水下作业提供有界精确导航结果,且无需声学基阵辅助。然而,地形辅助导航需要已知高精度先验海图,这大大限制了其应用范围。为解决海底地形未知条件下的海底地形辅助导航问题,提出了海底地形同步定位与建图技术。利用水深预测手段和地形匹配方法进行帧间数据关联构建和闭环检测,并通过图优化技术进行海底地形同步定位与建图问题求解。仿真试验结果显示,在航行1h后,海底地形同步定位与建图系统的建图结果中所有测深点定位误差均值约为13m。     

一种新型低噪声水下动力螺桨翼型的实验研究

翼型是各种螺桨设计的基础。为了进一步提高水下动力螺桨的抗空化特性，降低噪声，西北工业大学翼型研究中心研制了一组ＰＱ翼型。该翼型通过理论计算优化并经一系列的风洞、水洞试验研究，结果表明，ＮＰＵＰＱ系列翼型在满足初生空化数设计指标的情况下比ＮＡＣＡ６６（Ｍｏｄ）系列翼型有更大的空化斗，显示了更好的空化特性；前者的流体动力特性与后者相当或更好。     

水下超声速气流流场非定常特性研究

上浮水雷在工作过程中环境压力大幅度变化，针对上浮水雷火箭发动机具有三种不同工作状态（欠膨胀、完全膨胀、过膨胀）的特点，采用VOF两相流模型，建立了水下火箭发动机在不同工作状态喷射流发展的轴对称计算模型，分别在来流速度0m/s和50m/s两种工况下，研究了水下发动机在不同工作状态时喷射流发展规律及流场脉动特性。结果显示，在静水条件下，欠膨胀工况时颈缩发生位置距喷管出口较远，流场压力和喉部流量没有发生脉动现象，其它工况时颈缩发生位置距喷管出口较近，完全膨胀工况和过膨胀工况喷管出口最大压力振幅分别为5.5MPa，7MPa；喷管喉部流量振动幅度约为5.2%，32.8%；在有流速条件下，三种工作状态发生颈缩、胀鼓和回击现象的位置距离喷管出口较远，完全膨胀喷管出口最大压力振幅为2MPa，喷管喉部流量未发生脉动特性，过膨胀工况喷管出口最大压力振幅6.1MPa，喉部流量振动幅度30.4%。     

MEMS 壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS 壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种 MEMS 热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。     

分布式测量技术在航行体水下试验中的应用

提出了将分布式测量技术应用于航行体水下试验中的航行体表面压力测试。采用分布式采集系统设计,可大幅减少穿舱电缆的数量,使得航行体组装对接更加方便,有效提高系统的可靠性。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气射流冲击水面时,燃气泡形态在膨胀阶段受到水介质的阻滞作用呈现“豌豆”状,其轴向与径向尺寸有不同的发展规律;同时燃气泡内由于气水冲击作用和燃气扩散受限一直保持较高压力;前导激波传播速度远大于燃气泡发展速度,脱离燃气泡后激波压力值迅速衰减至常压量级,且在中心轴线上的衰减最为剧烈,导致其强度指向性发生改变;前导激波在气液交界面处产生反射,回传的反射激波与后续气流形成的拦截激波碰撞在燃气泡内出现回击现象,使管口附近形成较高的压力峰值。     

水下强声波脉冲引发的空化气泡运动和声辐射

通过建立由等离子体声源、PCB压力传感器和高速相机等构成的实验测量系统,研究了强声波脉冲引发的空化气泡运动和二次声辐射.通过实验,观察到了强声波脉冲特有的波形结构,空化气泡的成长、膨胀和坍缩过程以及气泡坍缩时辐射的声信号.其次,利用Gilmore方程和Bernoulli方程,从理论上对空化气泡的运动和声辐射进行了数值模拟和分析.研究结果表明:(1)在强声波脉冲正压区的作用下,空化气泡将受到压缩并围绕“准平衡态半径”振荡;在强声波脉冲负压区的作用下,空化气泡将出现膨胀、坍缩和回弹的物理过程.(2)空化气泡坍缩时周期性辐射的声脉冲持续时间极短,具有“冲击波”的特点.     

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。     

燃气蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟

水下发射的燃气.蒸汽式发射动力装置内是一种包含了高温高压燃气湍流流动、冷却水射流的形成、喷嘴出口处的一次雾化、在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化、含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程.应用CFD技术对水下发射试验低压强点和高压强点进行了含相变的三维两相加质流场数值模拟.结果表明,采用雾化理论和数值仿真技术计算得到的流场形态、特征点状态参数以及冷却水汽化情况等与试验结果基本吻合,这种新的计算方法可作为发射动力装置研究的一种有效手段.     

基于浮力调节的AUV升沉运动控制技术

研究基于浮力调节的自主式水下机器人(Autonomous underwater vehicle, AUV)升沉运动控制问题.分析了海水密度与深度的关系,研究了潜深对AUV升沉运动及浮力调节系统的影响,建立了基于浮力调节的AUV升沉运动动力学模型,提出了一种基于浮力调节的AUV滑模模糊控制方法,进行了基于浮力调节的AUV升沉运动控制仿真研究和定深控制水池实验验证,讨论了基于垂推和浮力调节进行升沉控制的能耗对比.