小型水下高速运动体自主测速基础理论研究

Because of underwater environmental restrictions, at present, a lot of velocity measure methods in air can't be directly applied in underwater. To realize all the track real-time positioning, the underwater independent speed measure technology and related theory research are urgent for small underwater high-speed moving body（sizes within φ100mm×1000mm）. This topic proposes an independent speed measure method based on turbine, builds a turbine rotation sticky mathematical model, studies multivariable nonlinear optimization design method. The cavitation phenomenon influences measures precision and velocity measurement error is reduced in high-speed cases. By the theoretical analysis, two phase flow fluid simulating and high-speed cavitation water tunnel experiment,the inner relation between turbine rotation speed and carrier velocity is revealed, fluid characteristics and cavitation influence to velocity measurement is clarified and basic theories research of small underwater high-speed moving body independent velocity measure technology is completed. The mathematical theory model, the influence law of fluid characteristics and cavitation, and velocity measure error causes and eliminating methods can be obtained. the military and civil areas independent velocity measure problem for small underwater high-speed moving body can be solved.

由于水下环境的限制，目前许多大气中的测速方法不能直接应用于水下。小型水下高速运动体（φ100mm×1000mm以内）为实现全航迹实时定位，迫切需要开展水下自主测速技术及相关的理论研究。针对小体积水下高速运动体自主测速技术需求，本课题提出一种基于涡轮的小型水下高速运动体自主测速方法，建立基于力矩平衡涡轮转动粘性数学模型，研究涡轮参数多变量非线性优化设计方法和高速情况下空化现象对涡轮测速的影响及消除措施。采用理论分析结合水下流体机械高速旋转两相流动流体仿真技术及高速空化水洞实验的方法，揭示涡轮转速与载体运动速度的内在关系与规律，阐明流体特性与空化对涡轮测速的影响，完成小型水下高速运动体自主测速技术的相关基础理论问题研究。本课题的完成将获得小型水下高速运动体自主测速理论数学模型，流体特性和空化对速度影响规律，及水下自主测速误差成因及消除方法，解决军事、民用领域小型水下高速运动体自主测速技术难题。

由于水下环境的限制，目前许多大气中的测速方法不能直接应用于水下。利用涡轮测速具有精度高、重复性好、量程范围宽、体积小等优点，与测速涡轮机构类似的涡轮流量计是最常见的较高精度的流量测量装置，广泛应用于测量各种气体、液体、以及多相流体。开展水中小型高速运动体自主测速基础理论研究，可解决军事、民用领域小型水下高速运动体自主测速技术难题,同时该研究对相关水中兵器的设计具有重要意义。本研究的主要工作内容如下：. 本研究首先设计了外置共形涡轮以及内置涡轮测速机构，而涡轮尾部安装有小磁体，通过安装在运动体内的霍尔器件感应磁场变化即可获取转速。以某水下小型高速运动体为例，通过设计相关仿真方法和实验手段，较为全面地分析了该运动体的流场环境激励。建立了水中小型高速运动体自主测速涡轮转动数学模型。研究了基于粘流理论的水中高速运动体两相流CFD技术以及三维非定常CFD模型，研究了高速运动体周围的空化流场的特性。利用三个特征长度对空化强弱进行量化，通过理论分析和仿真方法研究了空化的速度比尺效应。研究了空化对测速涡轮的影响及涡轮机构对水中高速运动体外弹道性能的影响。分析了空化初生及其影响因素，介绍了空化试验研究的方法，并分析了空化随流体动力学特性的影响。研究了不同环境条件下测速涡轮的输出特性及内置涡轮机构的优化方法。进行了原理样机的制作及实验研究，并设计了水中弹药流场环境的实验方法，完成并实施了相关模拟实验方案。