混合驱动水下滑翔机水动力参数辨识

与传统水下滑翔机相比,混合驱动水下滑翔机可以分别利用头部的浮力驱动单元和机身尾部的螺旋桨推进单元进行驱动从而实现不同形式的运动,具备低功耗、长航程、良好机动性等特点,具有广泛的应用前景. 准确的动力学模型以及精确的水动力参数是实现混合驱动水下滑翔机控制系统设计以及精确导航的基础. 在混合驱动水下滑翔机动力学模型已知的前提下获得准确的水动力参数是本文主要研究的问题. 本文以天津大学研制的混合驱动水下滑翔机“海燕” 作为研究对象,提出一种在有限航行参数条件下,基于大数据统计分析的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD) 和参数辨识相结合来获取混合驱动水下滑翔机的水动力参数的方法. 即首先建立滑翔机的动力学模型,推导出稳态数据与所求水动力参数的关系;然后采用CFD 的方法得到其升力系数,根据大量稳态纯滑翔实验数据,结合大数据统计分析,辨识出其剩余水动力参数;最后,根据混合驱动模式下的实验数据辨识出与螺旋桨相关的参数,从而得到其整套的水动力参数. 该方法不仅结合了CFD 方法具有获取复杂外形结构航行水动力的特点,而且可以有效利用大量现场实验数据,因而能够更加准确地辨识其实际运动. 通过运动仿真与试验对比,验证了该辨识方法的正确性和有效性,对滑翔机的研究具有指导意义.      

泵喷推进器水动力及流场特性研究综述

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置, 由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成, 具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点, 最早于20世纪中叶在国外出现, 初期主要用于鱼雷推进, 后拓展到潜艇推进, 目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进, 国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异. 近年来, 因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等, 泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点. 泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高, 其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识. 本文介绍了泵喷的基本构成和特点, 按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状. 从水动力特性的角度, 介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律. 从流场特性角度, 介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等. 分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战, 提出对未来研究的展望.      

在哈密顿体系下水容器内非线性浅水波理论和实验方法

本文通过引进哈密顿体系非线性浅水波理论,建立一套数值计算方法,并设计一套实验方案和装置,将理论与实验结果相互验证,研究水容器中的水在倾斜和振动过程中的非线性浅水波表明,实验与理论结果基本吻合。同时揭示了该类问题非线性水波波动的一些机理,从而也为解决工程实际问题提供可靠的依据。     

喷水推进双级轴流泵流体动力性能CFD分析

采用高质量结构化网格对某喷水推进双级轴流泵整个数值模拟系统的各部件进行区域离散,利用CFD方法预报该泵扬程、功率和效率等外特性,分析其内部流动情况。计算结果与实验数据的较好吻合证明了CFD方法可以作为通过试验求取喷水推进双级轴流泵特性曲线的辅助方法。研究中对有、无轴情况下双级轴流泵外特性的预报和比较结果表明,轴对该泵动力性能预报结果影响不大;通过计算叶片压力分布,验证了该双级泵叶轮叶片设计中采用的线型;通过观察一、二级导叶出口的流动状态,分析了该泵设计中存在的缺陷,并为导叶改进设计提出建议。     

第1届全国水动力学学术会议

会议由中国力学学会流体力学专业委员会召开,于1984年12月4—9日在广州中山大学举行,接收论文73篇,全国43个单位78名代表参加。另有香港大学和香港理工学院4名代表参加并宣读2篇论文。论文涉及水波运动,水波与物体相互作用,河渠水动力学,海洋环境流体力学,海洋工程流体力学,空泡流,出入水问题等广泛的水动力学领域。由于海      

半空间饱和土内置点载荷作用下的热弹性波动

基于Biot波动理论及热弹性动力理论,利用已建立的饱和多孔弹性介质热流固耦合控制方程,研究半无限地基在内置点热力源作用下的动力响应问题. 求解过程引用Hankel变换技术,得到了热力源作用下土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答.利用Hankel数值逆变换得到计算结果,分析了热流固耦合条件下激振频率对竖向位移和孔隙水压力响应的影响. 对热流固耦合、热弹性和多孔弹性模型计算结果进行了比较.      

离心泵叶片边界层分离对水动力特性的影响

给出了离心泵叶片近壁表面流体粘性流动的分析方法,通过对叶片压力面边界层参数的计算和边界层分离的判断,确定分离型和流线型叶片型线,又通过对测试泵的性能对比试验,验证了叶片型线对水动力特性的影响,明确了这种影响主要体现在离心泵的水力效率、动力性能方面,并指出叶片形状的变化是导致其表面流体边界层分离点位置移动的主要原因,它决定了边界层是否分离,而过大的分离将使测试泵的性能下降,振动剧烈、噪声增大,并强调应重视边界层分析在叶片水力设计中的作用,同时给出了叶片型线水力设计的评价依据。所得结论对低比转速离心泵水动力特性的改善有参考价值。     

连续分层流体中垂直薄板的水动力特性

研究了在线性连续分层流体中水波与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题. 在 Boussinesq近似下,基于分离变量法,导出了具有自由面的平面前进波的色散关系,建立 了半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量、水平波浪力的计算方法. 对给定的频率,当它大 于浮力频率时,流场中只有一种模态的平面前进波,当它小于浮力频率时,流场 中有无数多个模态的平面前进波,并证明了对每一种模态的入射波,其它每个模态水波的反射与透射能量是 相等的. 对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量,以及作用在薄板上的水平波浪力 进行了数值计算分析,表明了流体的线性连续分层效应对这些水动力的影响是不可忽视 的. 特别地,在入射波频率小于浮力频率时,与第1模态入射波的能量转化量及其对薄板产 生的水平波浪力相比,其它模态入射波的能量转化量及其对薄板产生的水平波浪力都要大得 多.     

方管能量耗散装置的研究

利用结构的塑性变形原理研制的各种能量耗散装置对于减少车船碰撞事故的损失可以起到重大作用,因而近年来在许多国家受到很大重视.本文通过静、动力实验和塑性理论分析,研究了金属薄壁方管在轴向力作用下产生“开裂与卷曲”破坏模式的机理和规律,阐明了这种能量耗散装置具备行程长和承载能力稳定等优点,有良好的应用前景.     

有限厚度砂床对波浪载荷的响应

本文采用水-土两相介质混合物的连续介质力学理论分析了有限厚度砂床对波浪载荷的响应。土床看作饱和孔隙弹性介质,用Biot理论来描述流动和变形的耦合效应,波浪用线性水波描述。在上述假设下得到了描述土床对波浪载荷响应的基本方程。用解沂-数值方法给出了土床中位移、应力和孔隙水压力的分布并将理沦计算结果与波浪-砂床模型试验的实验资料进行了比较。文章还对影响土床对波浪响应的参量特性进行了分析和讨论。根据参量研究、理论计算与实验资料比较的结果,可以得出结论:本文所提供的理论模型和计算方法能用来估算海床对波浪载荷的影响。     

圆管流动水击压力波测量及水力计算

为探索水击现象的物理过程和机理,研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置,并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。用12只扩散硅压力传感器测定圆管流动水击压力波瞬态分布及最大、最小压力值,由试验数据拟合出水击波波形,揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。通过分析随机捕捉测量技术方法,理论上推断出测量数据达到可信精度。在归纳分析试验数据基础上,得出最大压力随关阀时间的关系曲线,对圆管流动直接水击等概念进行了探讨,用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。     

WATER HAMMER PRESSURE OF HYDRAULIC LIFTING PIPELINE IN DEEP-SEA MINING PILOT SYSTEM

深海采矿系统可能由于突然停泵、断电或机械故障等引起提升管道中流体速度瞬间变化, 导致管道内压力剧烈变化, 这种水击现象对管道破坏极大. 基于固液两相流体连续性原理和动量定理, 推导出含粗颗粒的固液两相流体管道水击压力的计算公式. 采用深海采矿中试系统参数, 模拟计算不同水体流速、不同流体浓度以及不同管径条件下的水击压力. 分析结果表明, 流速、体积浓度和管径是影响水击压力的重要因素, 其中, 流速影响最大. 研究结果可为深海采矿系统工程设计提供依据.     

Air-lift pumps characteristics under two-phase flow conditions

Air-lift pumps are finding increasing use where pump reliability and low maintenance are required, where corrosive, abrasive, or radioactive fluids in nuclear applications must be handled and when a compressed air is readily available as a source of a renewable energy for water pumping applications. The objective of the present study is to evaluate the performance of a pump under predetermined operating conditions and to optimize the related parameters. For this purpose, an air-lift pump was designed and tested. Experiments were performed for nine submergence ratios, and three risers of different lengths with different air injection pressures. Moreover, the pump was tested under different two-phase flow patterns. A theoretical model is proposed in this study taking into account the flow patterns at the best efficiency range where the pump is operated. The present results showed that the pump capacity and efficiency are functions of the air mass flow rate, submergence ratio, and riser pipe length. The best efficiency range of the air-lift pumps operation was found to be in the slug and slug-churn flow regimes. The proposed model has been compared with experimental data and the most cited models available. The proposed model is in good agreement with experimental results and found to predict the liquid volumetric flux for different flow patterns including bubbly, slug and churn flow patterns.     

水击谐波流场中乳化油液滴粒径的PIV测量

为了掌握乳化油液滴在水击谐波流场中的碰撞、破裂、聚集和变形等微观形态的变化规律,采用粒子图像测速(PIV)技术对水平方管中乳化油液滴的水击谐波流场进行了测量,分析了在水击谐波流场中,不同激振力作用下乳化油液滴的粒径变化。测量结果表明,在水击谐波流场作用下,乳化油液滴平均粒径的增长率随着激振力的减小而减小,随着作用时间的增大呈增加趋势,直至粒径处于一种动态平衡;乳化液滴随着激振力增大到达波节聚集位置的时间减少,可见增大水击谐波激振力有利于乳化液滴的聚集并合并为大尺度的液滴,从而有效地提高了水击谐波流场作用下的油水分离效果。     

改进的特征线方法及过载对水锤效应影响分析

传统特征线方法对过载作用下的水锤计算具有局限性,无法为水锤防护提供可靠性指导。本文在考虑过载效应和动态摩阻的基础上,提出了改进的特征线方法,该方法能准确模拟过载作用下水锤最大压力峰值及水锤波的衰减特性。基于该方法,建立了过载作用下水锤效应数学模型,通过分析结果与CFD数值仿真及实验数据对比,验证了改进特征线方法的正确性。分析结果表明,在恒定过载作用时,阀门位置的流体压力随过载量的增加而增大,且管轴向过载的影响大于横向过载;关阀过程受到瞬时过载作用时,过载效应对水锤最大压力峰值影响显著,而对关阀后水锤波的传播和衰减影响较小;同时,分析了过载效应下关阀特性和流体密度等参数对水锤效应的影响规律。     

环空流道液流失速水击特性及其成因的研究

环空流道与圆管的结构差异,使得其失速水击特性及其成因亦有不同。为了对其进行分析研究,利用PIV对套管环空和圆管流水击流场进行拍摄,并通过Tecplot显示流场,提取轴向速度和径向速度、等速度线等参数加以分析;同时采用高精度智能动态压力传感器采集了套管环空内、外壁及内管内壁压力,对环空中水击特性进行了进一步研究。结论是:水击发生时环空断面外壁面水击压力大于内壁面水击压力;同初速情况下环空液流水击压力大于圆管流水击压力;环空中水击压力衰减速度快于圆管中;涡流是水击压力衰减以及速度变化的主要因素;水击压力振荡变化主要是压力涡流引起的断面能量的相互转化形成的。     

Numerical aspects of improvement of the unsteady pipe flow equations

The paper presents an analysis of some recently proposed improvements of the water hammer equations, which concern the friction term in the momentum equation. A comparison of the experimental data and numerical results shows that the required damping and smoothing of the pressure wave cannot be obtained by modification of the friction factor only. In order to evaluate the significance of the introduced improvements into the momentum equation, the accuracy of the numerical solution has been analysed using the modified equation approach. The analysis shows why the physical dissipation process observed in the water hammer phenomenon cannot be reproduced with the commonly used source term in Darcy–Weisbach form, representing friction force in the momentum equation. Therefore, regardless of the proposed form of the friction factor for unsteady flow, the model of water hammer improved in such a way keeps its hyperbolic character. Consequently, it cannot ensure the expected effects of damping and smoothing of the calculation head oscillations. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

带有环形阀片的阻尼阀可靠性研究

针对跑车试验时油气弹簧中节流阀片受冲击失效的现象,提出了研究阻尼阀水击压强的必要性,建立了带有环形节流阀片的阻尼阀物理模型. 运用水击理论及解偏微分方程的特征线法,创造性地对给定阻尼阀结构进行了水击建模计算. 编程分析节流阀片失效的原因,系统研究了常通孔结构参数变化对阻尼阀所受瞬态冲击及其阻力值的影响规律,提出需从屈服和疲劳强度两个方面入手对阀门可靠性进行校核,并给出计算实例,完善了现有阀系设计的算法. 所得结论可以作为可靠性研究的参考,同时避免了阀片断裂的再次发生.      

Dam-Break Flows Over a Bottom Drop

The single-layer shallow-water model is used to study flows generated by dam break over a bed level discontinuity in the form of a drop from which water flows. Emphasis is given to submerged regimes in which downstream wave processes affect the upstream flow. The paper considers solutions in which the total flow energy is conserved on the drop and solutions in which the energy is lost on the drop.     

Experimental investigation and dimensionless analysis of forming of rectangular plates subjected to hydrodynamic loading

This paper describes an experimental setup consisting of a drop hammer and a shock tube filled with a liquid, where a shock wave is formed, and results of experiments performed with fully clamped rectangular plates subjected to an impact load of the water shock wave. The results are presented in terms of the central deflection of the plates as a function of the kinetic energy of the drop hammer. The singular value decomposition method is used in conjunction with dimensionless numbers to obtain analytical dependences of the central deflection of the plates on the impact load parameters.