一种适用于X型操纵面水下航行器的主动流动控制方法与流程

一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法
技术领域
1.本发明涉及水下航行器技术领域，尤其是一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法。


背景技术：

2.水下航行器在海洋科学调查、海底油井作业和电缆铺设与维修、海洋资源勘探、海洋测绘等方面发挥了举足轻重的作用。传统的水下航行器由于主要采用的是十字舵尾翼布局形式，超宽严重，不利于港口、近海底航行，因此一般均会对其尾翼的横向尺寸进行限制，这将直接限制了十字舵水下航行器机动性能的进一步提升，从而制约了水下航行器航行范围和作战能力的发挥；另外，传统十字舵水下航行器尾舵采用联动控制，无法实现高航速下的横倾控制效果，不利于高航速下的安全操纵控制。因此，针对于现代水下航行器高航速、高机动性的迫切需求，x舵水下航行器逐渐应势而生。
3.与一般十字型操纵面水下航行器不同，x型操纵面水下航行器在航行过程中，一般来流攻角较大，背流面将会产生明显流动分离，诱发较强的涡旋结构，很容易在舵迎流面聚集大量的流体，同时在背流面产生“真空区”，使得作用在水下航行器上的水动力非线性特征十分明显，表现为随着攻角的增大，水下航行器垂向水动力递增明显，而俯仰力矩先增大后减小，再反向增大，水动力作用中心位置则呈现出前后移动的变化特征，这显然给水下航行器深度方向和姿态角的稳定控制带来了难度。
4.而另一方面，水下航行器尾部流动分离及涡旋发放不仅使得舵前方来流品质较差，影响舵效(表现为舵的速升率和舵导数下降)和隐身性能(表现为流动噪声增大3db-10db)，还会因为较大的舵前方来流攻角，导致舵面出现失速现象，使得舵效大幅下降，如此一来，水下航行器机动能力下降，大大影响水下航行器作业效能的发挥，并且，高航速下的水下航行器运动姿态剧烈变化也将会使得水下航行器失事的风险大为增加。


技术实现要素：

5.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，从而主动改善、优化操纵面周围流场，有效提升操纵面舵效和降低流致噪声，极大地提升水下航行器操纵性能和隐身性能。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，包括航行器本体，航行器本体端部沿着周向间隔安装有四组舵，构成x型操纵面，单个舵的两侧侧面均开设有进出水口，进出水口的进水或出水动作由动力泵主动控制；还包括布设于进出水口周向外部舵表面的传感器组，传感器组监测舵表面受到的流体压力；
8.当传感器组检测到舵侧面上压力瞬时大幅增加时，判断聚积流体，经动力泵控制相应舵侧面上的进出水口进行出水动作，将舵表面积累的流体吹散；反之，当传感器组检测到舵侧面上压力降低甚至为零处于真空状态时，判断流体较少甚至无流体，经动力泵控制
相应进出水口进行进水动作，将远方的流体吸至舵表面。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.所述进出水口出水或进水时的吹吸方向与舵的表面垂直。
11.单个舵两侧侧面上进出水口的进水或是出水动作相反。
12.所述动力泵布设于航行器本体内部，动力泵经由管路连通至相应的进出水口。
13.所述动力泵为双向水泵，双向水泵经由正向工作和反向工作的切换，进行进出水口进水或是出水状态的切换。
14.所述动力泵为双口双向水泵，单个舵两侧面上的进出水口分别经由管路对应连通至双口双向水泵的双口上。
15.四个舵沿着航行器本体周向间隔均匀布设，相邻舵的轴向角间距为90
°
；单个舵经由舵杆与航行器本体连接，管路经由舵杆内部从舵穿设连接至航行器本体内的动力泵。
16.所述舵杆为空心管状结构，舵杆中心距离舵导边的距离为0.15-0.25c，c为舵的弦长。
17.还包括设置于航行器本体内部的水仓，水仓与动力泵连通。
18.所述传感器组包括多个压力传感器，多个压力传感器以进出水口为中心间隔布设于周向。
19.本发明的有益效果如下：
20.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在x型操纵面的各个舵侧面上分别布设进出水口，构成吹吸装置，对舵表面进行流体的吹除或是吸入动作，从而达到改善、优化操纵面周围流场的目的，有效提升操纵面舵效、降低流致噪声，极大地提升水下航行器操纵性能和隐身性能；
21.本发明还包括如下优点：
22.通过在水下航行器操纵面上布置“吹吸”装置，能够根据水下航行器不同的运动姿态，制定适配不同的“吹吸”策略，有效优化操纵面附近流场，既适用于水下航行器直航状态，亦适用于水下航行器偏航和回转状态，使用效果好，适用范围广；
23.本发明经由吹吸装置的设置，来有效改善、优化操纵面周围流场，使得操纵面周围的流体始终处于相对均匀分布的状态；流动的均匀分布将会使得流体内部分离较少，涡结构的破碎亦可大幅减小，从而使得较少的能量被耗散掉，相应的脉动压力以及阻力得以减小，舵效大幅提升，流致噪声大幅减小；
24.通过采用本发明提出的主动流动控制方法，数值模拟和模型试验均表明，控制前后，x型操纵面水下航行器操纵性能和隐身性能大幅提升；在给定试验参数范围内，x型操纵面水下航行器的操纵性指标(速升率)提升12.5％，隐身性能指标(主频段的流致噪声)减小了10db。
附图说明
25.图1为本发明水下航行器的结构示意图。
26.图2为本发明舵的结构示意图。
27.图3为本发明各个舵与动力泵、水仓的连接示意图。
28.图4为本发明舵上舵杆、管路的配置示意图。
29.图5为未使用主动流动控制方法时水下航行器操纵面表面的涡旋示意图。
30.图6为使用主动流动控制方法后水下航行器操纵面表面的涡旋示意图。
31.其中：1、航行器本体；2、指挥室围壳；3、进出水口；4、舵；5、传感器组；6、舵杆；7、管路；8、动力泵；9、水仓。
具体实施方式
32.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
33.如图1所示，本实施例的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，包括航行器本体1，航行器本体1端部沿着周向间隔安装有四组舵4，构成x型操纵面，单个舵4的两侧侧面均开设有进出水口3，进出水口3的进水或出水动作由动力泵8主动控制；如图2所示，还包括布设于进出水口3周向外部舵4表面的传感器组5，传感器组5监测舵4表面受到的流体压力；
34.当传感器组5检测到舵4侧面上压力瞬时大幅增加时，判断聚积流体，经动力泵8控制相应舵4侧面上的进出水口3进行出水动作，将舵4表面积累的流体吹散；反之，当传感器组5检测到舵4侧面上压力降低甚至为零处于真空状态时，判断流体较少甚至无流体，经动力泵8控制相应进出水口3进行进水动作，将远方的流体吸至舵4表面。
35.通过在x型操纵面的各个舵4侧面上分别布设进出水口3，构成吹吸装置，对舵4表面进行流体的吹除或是吸入动作，达到改善、优化操纵面周围流场的目的，使得操纵面周围的流体始终处于相对均匀分布的状态；流动的均匀分布将会使得流体内部分离较少，涡结构的破碎亦可大幅减小，从而使得较少的能量被耗散掉，相应的脉动压力以及阻力得以减小，舵效大幅提升，流致噪声大幅减小。
36.实际使用中，由传感器组5监测反馈的是压力绝对值，经由压力值的增大或减小，来进行判断。
37.进出水口3出水或进水时的吹吸方向与舵4的表面垂直，从而有效保证吹、吸流体的效果。
38.单个舵4两侧侧面上进出水口3的进水或是出水动作相反。
39.如图3所示，动力泵8布设于航行器本体1内部，动力泵8经由管路7连通至相应的进出水口3，从而实现吹吸的可靠操作，并进行合理的布局，不影响水下航行器整体的流线型外形。
40.动力泵8为双向水泵，其具备双向进出水功能；双向水泵经由正向工作和反向工作的切换，进行进出水口3进水或是出水状态的切换；比如，动力泵8正向旋转时，水流吸入动力泵8，配合“吸入”操作；动力泵8反向旋转时，水流流出动力泵8，配合“吹除”操作。
41.动力泵8为双口双向水泵，单个舵4两侧面上的进出水口3分别经由管路7对应连通至双口双向水泵的双口上；在动力泵8的作用下，舵4一侧的进出水口3处于吹除的操作状态，舵4另一侧的进出水口则处于吸入的操作状态。
42.本实施例中，双口双向水泵的使用，使得整体结构紧凑，能够在有效的布局空间发挥最大的功能。
43.四个舵4沿着航行器本体1周向间隔均匀布设，相邻舵4的轴向角间距为90
°
；单个舵4经由舵杆6与航行器本体1连接，管路7经由舵杆6内部从舵4穿设连接至航行器本体1内
的动力泵8。
44.如图4所示，舵杆6为空心管状结构，舵杆6中心距离舵4导边的距离为0.15-0.25c，c为舵4的弦长，从而经由舵杆6有效保证对于舵4的可靠、稳定支承。
45.本实施例中，将舵杆6设置为空心，一方面在满足结构强度的同时可最大限度减小结构重量，有利于提升舵效；另一方面空心结构的设计亦方便于舵4上管路7的布置。
46.还包括设置于航行器本体1内部的水仓9，水仓9与动力泵8连通，水仓9用于经由动力泵8进行吹吸操作时的备用储水。
47.本实施例中，双口双向水泵可以选用特赫snby516型号的产品，其设置有两个接口，分别经两个水管与同一个舵4两侧面上的进出水口3相连通，实现吸水或排水动作；吸水或排水最终都连通收纳至水仓9中。
48.传感器组5包括多个压力传感器，多个压力传感器以进出水口3为中心间隔布设于周向。
49.如图2中为传感器组5布设的其中一种情况，其中以进出水口3为中心布设有八个独立传感器，舵4两侧均设置有相同布设方式的传感器组5。
50.通过布置在舵4表面的压力传感器阵列，通过读入压力信号，来判断舵4表面的流体情况，以做出主动控制决策，根据流体的情况进行相应操作。
51.与舵4相对的航行器本体1另一端的中部处外壁面上设置有指挥室围壳2，用于对于水下航行器的航行，包括吹吸装置的工作，进行及时、有效的控制。
52.本发明的基本原理在于采用干预的主动控制方法，具体表现为吹吸装置的“吹除”和“吸入”动作。当x型操纵面(具体表现为四个舵的舵面)前方聚积大量的流体时，舵表面的压力会瞬时大幅增加，通过判断程序立即启动舵表面的吹吸装置，此时操作命令为“吹除”，来主动将舵表面积累的流体吹散开来，减缓舵表面的压力；反之当x型操纵面(具体表现为四个舵的舵面)后方流体较少时(极端情况表现为真空状态，此时舵面后方几乎无任何流体)，通过判断程序立即启动舵表面的吹吸装置，此时操作命令为“吸入”，主动将舵表面远方的流体吸至舵表面，舵表面吹吸装置“吸入”操作开展后将使得局部压力为负压，周围流体在压力差驱动下迅速向舵表面聚集；如此操作下来，使得x型操纵面周围的流体始终处于相对均匀分布状态。
53.通过在水下航行器操纵面上布置“吹吸”装置，能够根据水下航行器不同的运动姿态，制定适配不同的“吹吸”策略，有效优化操纵面附近流场，既适用于水下航行器直航状态，亦适用于水下航行器偏航和回转状态，使用效果好，适用范围广。
54.通过采用本发明提出的主动流动控制方法，数值模拟和模型试验均表明，控制前后，x型操纵面水下航行器操纵性能和隐身性能大幅提升；在给定试验参数范围内，x型操纵面水下航行器的操纵性指标(速升率)提升12.5％，隐身性能指标(主频段的流致噪声)减小了10db。
55.在实际使用过程中，通常而言，当水下航行器顺时针回转或者向右侧偏航时，四个舵的上表面聚集了大量的流体，四个舵的下表面则流体较少，对四个舵上表面进行“吹除”操作，四个舵下表面则进行“吸入”操作；反之，当水下航行器逆时针回转或者向左侧偏航时，四个舵上表面进行“吸入”操作，四个舵下表面则进行“吹除”操作；从而使得舵表面流体趋于平均、均匀，流场得以改善。
56.如图5和图6所示，为经由数值模拟得到的使用主动流动控制方法前后，水下航行器表面涡旋结构的示意图。可以看出，采用吹、吸主动控制操作以后，水下航行器尾部操纵面附近的涡旋结构得以有效控制。图5中所示，在未使用主动流动控制情况下，涡发放严重，涡分离点较早，涡的整体强度很大；图6中所示，在使用主动流动控制情况下，涡发放得以控制，涡分离点明显得以推移，涡的整体强度亦有所下降。因此操纵性能和隐身性能得以提升，验证了本发明流动主动控制方法的有效性。
57.本发明经由主动操作，有效改善、优化了操纵面周围的流场，达到提升操纵面舵效、降低流致噪声的目的，从而极大地提升水下航行器操纵性能和隐身性能。
58.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，包括航行器本体(1)，航行器本体(1)端部沿着周向间隔安装有四组舵(4)，构成x型操纵面，其特征在于：单个舵(4)的两侧侧面均开设有进出水口(3)，进出水口(3)的进水或出水动作由动力泵(8)主动控制；还包括布设于进出水口(3)周向外部舵(4)表面的传感器组(5)，传感器组(5)监测舵(4)表面受到的流体压力；当传感器组(5)检测到舵(4)侧面上压力瞬时大幅增加时，判断聚积流体，经动力泵(8)控制相应舵(4)侧面上的进出水口(3)进行出水动作，将舵(4)表面积累的流体吹散；反之，当传感器组(5)检测到舵(4)侧面上压力降低甚至为零处于真空状态时，判断流体较少甚至无流体，经动力泵(8)控制相应进出水口(3)进行进水动作，将远方的流体吸至舵(4)表面。2.如权利要求1所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述进出水口(3)出水或进水时的吹吸方向与舵(4)的表面垂直。3.如权利要求1所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：单个舵(4)两侧侧面上进出水口(3)的进水或是出水动作相反。4.如权利要求1所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述动力泵(8)布设于航行器本体(1)内部，动力泵(8)经由管路(7)连通至相应的进出水口(3)。5.如权利要求4所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述动力泵(8)为双向水泵，双向水泵经由正向工作和反向工作的切换，进行进出水口(3)进水或是出水状态的切换。6.如权利要求4所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述动力泵(8)为双口双向水泵，单个舵(4)两侧面上的进出水口(3)分别经由管路(7)对应连通至双口双向水泵的双口上。7.如权利要求4所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：四个舵(4)沿着航行器本体(1)周向间隔均匀布设，相邻舵(4)的轴向角间距为90
°
；单个舵(4)经由舵杆(6)与航行器本体(1)连接，管路(7)经由舵杆(6)内部从舵(4)穿设连接至航行器本体(1)内的动力泵(8)。8.如权利要求7所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述舵杆(6)为空心管状结构，舵杆(6)中心距离舵(4)导边的距离为0.15-0.25c，c为舵(4)的弦长。9.如权利要求1所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：还包括设置于航行器本体(1)内部的水仓(9)，水仓(9)与动力泵(8)连通。10.如权利要求1所述的一种适用于x型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，其特征在于：所述传感器组(5)包括多个压力传感器，多个压力传感器以进出水口(3)为中心间隔布设于周向。

技术总结
本发明涉及一种适用于X型操纵面水下航行器的主动流动控制方法，包括航行器本体，其端部沿周向间隔安装四组舵构成X型操纵面，单个舵两侧面均开设进出水口，进出水口进水或出水动作由动力泵主动控制；还包括布设于进出水口周向外部舵表面的传感器组，监测舵表面受到的流体压力；当传感器组检测到舵侧面压力瞬时大幅增加时判断聚积流体，经动力泵控制舵侧面上的进出水口进行出水动作，将舵表面积累的流体吹散；反之，当传感器组检测到舵侧面上压力降低甚至为零处于真空状态时，判断流体较少甚至无流体，经动力泵控制相应进出水口进行进水动作，将远方流体吸至舵表面，从而主动改善操纵面周围流场，极大地提升水下航行器操纵性能和隐身性能。隐身性能。隐身性能。


技术研发人员：李永成 李迎华 潘子英 陈默 杨揽
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/14