一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法技术

本发明专利技术属于水下航行体运动响应分析研究领域，尤其涉及一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法。本发明专利技术采用时域有限位移运动方程，针对水下航行体在水中段的运动过程，建立其在内孤立波强非线性作用下的相关运动响应理论模型，对内孤立波作用下水下航行体的运动轨迹进行预测，对水下航行体距内孤立波波谷不同位置、发射不同初始深度、内孤立波不同波高等不同条件下水下航行体的运动响应进行了定量的评估，用于内孤立波作用下水下航行体的运动响应分析。体的运动响应分析。体的运动响应分析。

【技术实现步骤摘要】
一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法


[0001]本专利技术属于水下航行体运动响应分析研究领域，尤其涉及一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法。

技术介绍

[0002]有些海域的海水密度层化现象显著，海底地形变化剧烈，流态格局多变，这些都为该海域内波的产生提供了天然的海洋环境条件。对于垂直发射的水下高速运动航行体来说，如果在水下大深度进行发射，水下航行体就需要经过变密度层，在水平方向遭遇内波，甚至大尺度内孤立波的剪切。和均一密度流体相比，密度分层效应会在横向和垂向对运动体产生更大的剪切作用，增加了水下航行体运动姿态的不稳定性，对水下航行体出水姿态造成影响。目前，大量用于分析水下航行体在出水前受到流作用下运动响应特性的工程软件和相关理论计算方法被成功应用于工程实际当中，然而对内孤立波作用下水下航行体运动响应性能的认识尚不十分清楚，因此有必要开展内孤立波作用下的水下航行体运动响应分析研究。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提出一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法。本专利技术采用时域有限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1.建立坐标系设上层流体深度和密度分别为h1和ρ1，下层流体深度和密度分别为h2和ρ2，总水深为h，下标1和2分别对应上层和下层；建立二维的直角坐标系XOY，其中XOY面与未受扰动内界面重合，OY轴在波谷正上方，OX轴指向内孤立波传播方向，OY轴垂直向上为正；设ζ为内孤立波界面位移，以波速V沿OX轴正方向传播；并以水下航行体全浸没的浮心为原点建立随体坐标系xoy，以及固定坐标系XOY；随体坐标系xoy与固定坐标系XOY之间的坐标转换关系为：x＝X+x
d
，z＝Z
‑
h
d
其中，x
d
为波谷到水下航行体中心轴的水平距离，h
d
为水下航行体中心到两层流体分界面的垂向距离；步骤2.内孤立波作用下水下航行体的受力分析(1)迎流阻力和侧面阻力水下航行体在内孤立波中运动时，水下航行体头部受到的流体动力定义为迎流阻力，水下航行体侧面受到的流体动力定义为侧面阻力；水下航行体在发射过程中主要受到流体阻力分为迎流阻力和侧面阻力，迎流阻力和侧面阻力对应的无量纲阻力系数定义为C
x
和C
y
，迎流阻力和侧面阻力的公式如下：迎流阻力侧面阻力其中S1＝πDL+πD,S2＝LD,D为水下航行体的直径，L为水下航行体的长度；sign(v1)为v1的方向，sign(v1)的定义如下：其中v1为水下航行体在x方向的速度；迎流阻力系数C
x
和侧面阻力系数C
y
的具体计算方法如下：迎流阻力系数C
x
由摩擦阻力系数C
xf
和压差阻力系数C
xp
组成，即C
x
＝C
xf
+C
xp
；摩擦阻力系数直接利用平板摩擦阻力系数公式来计算水下航行体的摩擦阻力系数：压差阻力系数C
xp
采用巴普米尔给出的旋成体压差阻力系数计算公式：其中R
e
为雷诺数；S为水下航行体的最大横截面积；Ω为水下航行体的浸湿面积；e为水
下航行体后段尖削部分的长度；侧面阻力系数C
y
在小偏角范围内，表示为：其中f为水下航行体的长细比，f＝L/d，L为水下航行体的计算长度，d为水下航行体截面的回转半径；S
M
为水下航行体的最大纵剖面积；(2)重力重力G为G＝mg其中m为水下航行体的质量，g为自由落体加速度；(3)浮力浮力F
B
为F
B
＝ρV其中ρ为海水的密度，V为水下航行体的体积；则净浮力ΔB记为ΔB＝F
B
‑
G(4)推力在无动力发射时F
T
＝0其中F
T
为水下航行体的发射推力；(5)内孤立波载荷沿水下航行体的轴向受到的内孤立波作用力采用上下表面压差力的方法进行计算，即Froude
‑
Krylov力，如下式所示：dF
p
＝pnds其中，P为流场中的动压力，S为水下航行体上下表面积，n为上下表面的单位法向量；水下航行体迎流部分侧表面受到拖曳力和惯性力，采用Morison公式计算，如下所示：其中，S为水下航行体的横截面积，D为水下航行体的等效直径，和V分别为垂直于水下航行体的水质点瞬时加速度和瞬时水平速度；其中拖曳力系数C
d
和惯性力系数C
m
由水下航行体内孤立波载荷实验结果拟合得到，拟合公式如下：C
d
＝173.3
×
exp(
‑
9.171
×
10
‑3×
Re)+0.6265C
m
＝[95.02
‑
21.97(h1/h2)2]KC
‑
1.108
其中，Re为雷诺数，KC为KC数；水下航行体受到内孤立波载荷产生的力矩为：dM
W
＝r
B
×
dF
c
＝(z
‑
z
c
)(dF
d
+dF
m
)步骤3.内孤立波作用下水下航行体的运动方程水下航行体在内孤立波作用下3个自由度的运动方程为：
其中，m为水下航行体的质量，J为水下航行体的转动惯量，λ
11
和λ
22
为纵向和垂向的附加质量，λ
66
为附加转动惯量，F1为水下航行体的水平外载荷，F2为水下航行体的垂向外载荷，F3水下航行体的外载荷力矩，变量上方的点表示对时间的导数；水下航行体外载荷包括内孤立波动态载荷F
W
及其力矩M
W
，阻力F
f
及其力矩M
f
，浮力...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红萍，张志伟，余义德，李智生，蔡强，张厚强，
申请(专利权)人：中国人民解放军九一五五零部队，
类型：发明
国别省市：