论文题目: 水下自航行器水动力学特性数值计算与试验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 何漫丽
导师: 王树新
关键词: 水下自航行器,水动力试验,水动力特征,动力学建模
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 小型AUV(Autonomous Underwater Vehicles)是一种无人无缆水下自主航行器,可以进行海洋水下多种参数的测量。基于一定的测量任务需要,天津大学和国家海洋技术中心联合研制了一种坐底式、主体可分离的小型AUV,称为水下自航行器。本文通过适当选取坐标系,建立了水下自航行器的运动学和动力学模型,对航行器所受水动力进行了分析与计算,为航行器稳定性、操纵性分析与控制系统设计提供了依据。使用计算流体动力学(CFD)的方法,基于一种典型外形,研究了AUV外形、阻力(系数)与航速的关系,指出:对于小型AUV,由于其航行速度一般都比较低(对应流场雷诺数较低),在AUV的速度范围内,水动力系数是随速度变化的。而鱼雷等高速航行体在其速度范围内可以认为水动力系数是常数。因而AUV设计中,即使可以查到外形鱼雷等航行体的资料,但由于很难满足动力学相似的条件而不能使用。基于流线型航行体常采用的假设:将航行器阻力处理为各部件阻力之和,运用CFD方法对两轮设计的航行器进行水动力计算,对航行器外形参数进行了研究与设计改进,指出后续可以进一步改进外形设计以减小阻力的空间;通过分析计算结果,获得航行器主要水动力特征。针对两轮设计外形,对航行器进行了两次水动力试验。基于第一次试验结果及阻力特征分析,对水动力试验安装、测量方法,没入水下深度等进行了分析与调整;通过对试验结果与数值计算结果的比较,调整了数值计算模型参数。在第一轮外形阻力特征基础上,对航行器总体结构与外形进行了改进设计,对第二轮设计样机进行了水动力试验,得到航行器主要水动力参数;并将试验结果与修正后的数值计算模型结果进行了比较,结果证明调整后的数值计算模型是可行的且具有合理的精度。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 国内外水下潜器发展概况
1.1.1 载人潜器HOV(High Occupancy Vehicles)
1.1.2 远程遥操作潜器ROV(Remotely Operated Vehicles)
1.1.3 水下自航行潜器AUV(Autonomous underwater vehicles)
1.2 小型AUV 外形与水动力研究现状
1.3 水下自航行器研究背景
1.4 本文主要研究任务
1.5 本文内容安排
第二章 水下自航行器设计要求
2.1 航行器总体性能要求
2.2 航行器工作过程
2.3 航行器外形与结构组成
2.4 航行器重心与浮心位置
2.5 航行器各部件功能
2.6 本章小结
第三章 水下自航行器运动学与动力学建模
3.1 坐标系
3.1.1 坐标系选择
3.1.2 体坐标系与地坐标系间的转换
3.2 航行器运动学
3.2.1 航行器运动速度
3.2.2 航行器旋转角速度
3.3 航行器动力学方程
3.3.1 力平衡方程
3.3.2 力矩平衡方程
3.4 航行器水下运动所受外力
3.4.1 流体静态力
3.4.2 流体动态力
3.4.3 推进器推力
3.5 本章小结
第四章 航行器几何外形、阻力以及推进
4.1 物体阻力产生机理
4.1.1 几个基本概念
4.1.2 物体绕流阻力
4.1.3 获得物体阻力的方法
4.2 阻力数值计算方法
4.2.1 相似定律
4.2.2 计算模型
4.2.3 控制方程与湍流模型
4.2.4 边界条件和初始条件
4.2.5 数值求解
4.3 航行体理想外形与阻力研究
4.3.1 理想外形定义
4.3.2 相似模型
4.3.3 雷诺数对阻力系数的影响
4.3.4 航行体头部形状对阻力系数的影响
4.3.5 航行体尾部形状对阻力系数的影响
4.3.6 航行体尾部长度变化对阻力系数的影响
4.4 水下自航行航行器外形与阻力
4.4.1 第一轮航行器外形与阻力
4.4.2 第二轮航行器外形与阻力
4.4.3 两轮航行器外形与阻力比较
4.4.4 舵外形与阻力
4.5 各种功率与推进器
4.6 本章小结
第五章 航行器水动力试验
5.1 航行器第一次阻力试验
5.1.1 试验模型
5.1.2 试验设备与测量装置
5.1.3 试验内容与结果
5.1.4 试验结果分析及其与数值计算结果的比较
5.2 航行器第二次阻力试验
5.2.1 试验条件
5.2.2 试验模型
5.2.3 阻力试验内容
5.2.4 阻力试验结果与数值计算结果
5.2.5 阻力试验结果分析及其与数值计算结果的比较
5.3 航行器两次阻力试验结果比较与分析
5.4 航行器全附体漂角拖曳
5.5 航行器全附体攻角拖曳
5.6 本章小结
第六章 全文总结与展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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