微小型水下潜器近自由液面操纵性预报

论文摘要

微小型水下潜器具有航行体积小、阻力低、隐身性能好、机动灵活等特点，在海洋开发中占有重要的地位。当其从水面搭载平台布放和回收、航行一段时间后上浮进行导航定位时，将处于近自由液面航行状态。此时扰流环境远比无界绕流要复杂，而微小型水下潜器本身艇体较小，推进能力有限，极易受到自由液面的扰动。操纵性是水下潜器的重要性能，研究微小型水下潜器近自由液面的操纵性有着重要的意义。本文基于CFD技术分别研究了微小型水下潜器在无界绕流和近自由液面的水动力性能，计算不同潜深下的水动力系数，并进行了近自由液面的操纵性水动力实验。通过运动预报观察其运动特性，论文主要完成了以下工作：1.采用分区域网格划分方法，利用混合网格计算了椭球体和微小型水下潜器在无界绕流中的水动力性能，模拟其直航、斜航和六个自由度的运动，求得其部分水动力系数，并和面元法及实验结果进行对比。2.分别计算了在1.5倍、2.5倍、3.5倍潜体最大直径三种潜深下特征长度相同的椭球体、微小型水下潜器和流线型潜体直航的水动力。讨论了随潜深减小阻力、垂向力和纵倾力距的改变，观察流场发生的变化，分析阻力增加的原因，并模拟了自由液面的兴波，计算兴波范围和波高随潜深及航速的变化。讨论了附体对微小型水下潜器近自由液面航行的水动力和兴波产生的影响。计算微小型水下潜器在不同潜深垂直面斜航和水平面斜航的水动力特性，观察潜深对垂直面斜航带来的影响。3.模拟了微小型水下潜器在近自由液面时升沉、俯仰、横荡、横摇运动，计算其运动产生的力和力矩随潜深的改变，观察不同潜深的水动力系数变化，并同无界绕流的结果相对比，寻找其变化规律。分析了流场中动压力、速度和兴波随运动频率、航速、潜深的变化。4.利用平面运动机构进行了微小型水下潜器的近水面操纵性相关实验。利用六分力天平测量了其不同深度不同航速下直航的阻力、升力和纵倾力距。测量了不同潜深下水平面斜航的侧向力和偏航力矩。同时使微小型水下潜器在不同潜深下做升沉、俯仰运动，测得其垂直面运动的水动力系数，发现变化规律，并和计算结果进行对比分析。5.进行近自由液面运动预报，观察近自由液面水动力系数的改变对垂直面运动产生的影响，讨论了其直航速度的改变、操舵后产生的纵倾角和垂向速度的变化；微小型水下潜器在近自由液面出现埋艏下潜的现象，并且操舵响应变慢，恢复力矩变小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 小型潜水器发展现状
• 1.2.2 水下潜器水动力性能预报的研究现状
• 1.2.3 潜器近水面水动力性能研究进展与现状
• 1.2.4 潜器操纵性研究进展与现状
• 1.3 论文的主要研究工作
• 1.4 本文主要创新点
• 第2章 微小型潜器在无界流中的水动力性能研究
• 2.1 基于面元法计算惯性类水动力系数
• 2.1.1 面元法的基本原理
• 2.1.2 网格划分
• 2.2 基于 RANS 方法的无界流计算模型
• 2.2.1 RANS 方法数学模型
• 2.2.2 计算模型介绍及网格划分方法
• 2.3 椭球体在无界绕流中的水动力性能计算
• 2.3.1 椭球体定常水动力性能计算
• 2.3.2 椭球体模型非定常水动力性能计算
• 2.4 微小型水下潜器在均匀流中的水动力性能计算
• 2.4.1 微小型水下潜器定常水动力性能计算
• 2.4.2 微小型水下潜器模型非定常水动力性能计算
• 2.5 结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 微小型潜器在近自由液面水动力性能计算
• 3.1 VOF 方法简介
• 3.2 椭球体在近水面状态下直航的水动力性能计算
• 3.2.1 计算模型和网格划分
• 3.2.2 椭球体在近水面状态下直航阻力计算
• 3.2.3 椭球体在近水面状态下直航升力和纵倾力距计算
• 3.3 微小型潜器在近水面状态下直航的水动力性能计算
• 3.3.1 微小型潜器在近水面状态下直航阻力计算
• 3.3.2 微小型水下潜器在近水面状态下自由液面的模拟
• 3.3.3 微小型水下潜器在近水面状态下直航垂向力计算
• 3.3.4 微小型水下潜器在近水面状态下直航纵倾力距的计算
• 3.3.5 型线和附体对微小型水下潜器在近水面直航水动力性能影响
• 3.4 微小型潜器在近自由液面斜航的水动力性能计算
• 3.4.1 微小型潜器在近自由液面水平面斜航水动力计算
• 3.4.2 微小型水下潜器在近自由液面垂直面斜航水动力计算
• 3.5 不同潜深下的升沉运动
• 3.5.1 不同潜深升沉运动水动力系数计算结果
• 3.5.2 不同潜深升沉运动流场分析
• 3.6 不同潜深下的横荡运动
• 3.7 不同潜深下的俯仰运动
• 3.7.1 不同潜深升沉运动水动力系数计算结果
• 3.7.2 不同潜深俯仰运动的流场变化
• 3.8 不同潜深下的横摇运动
• 3.9 本章小结
• 第4章 微小型水下潜器近自由液面操纵性水动力实验
• 4.1 试验目的、试验装置和模型
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试验装置
• 4.1.3 试验模型
• 4.2 微小型水下潜器近自由液面水动力实验
• 4.2.1 纵向直航实验
• 4.2.2 水平面斜航实验
• 4.2.3 升沉运动
• 4.2.4 不同潜深下的俯仰运动
• 4.3 实验的误差分析以及不足
• 4.4 本章小结
• 第5章 微小型潜器近自由液面运动预报
• 5.1 水下潜器动力学建模
• 5.1.1 坐标系建立
• 5.1.2 空间六自由度运动方程建立
• 5.2 近水面垂直面运动预报
• 5.2.1 不同潜深的纵向运动预报
• 5.2.2 垂直面下潜上浮运动预报
• 5.2.3 微小型水下潜器近水面埋艏下潜现象
• 5.2.4 垂直面梯形操舵运动预报
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢