某潜器水动力性能计算及运动仿真

论文摘要

随着人们对海洋资源的深入开发利用和军事方面的需求,潜水器在军事方面和科研领域的应用日益引起广泛重视。潜水器可以用来监测海洋环境和生物、水文测量、科学采样、海底搜索和水下采矿等,其已成为水下作业不可或缺的重要工具。而小型潜水器以体积小,机动灵活等特点以及潜在的应用能力和较高的性价比成为各国研究的热点。根据其作业任务的要求,小型潜水器可能会在主体之外搭载设备,这些设备可以被看作成吊舱。吊舱对潜水器水动力性能以及操作性能的影响已成为设计者们比较关心的问题。准确的运动仿真可以预报带吊舱潜水器的运动性能及操纵性能,同时也可以降低水池和海上试验的成本。为此,建立潜水器运动仿真系统具有十分重要的意义。本文以某带吊舱小型潜水器为研究对象。首先,基于计算流体力学技术,对不带吊舱潜水器和带吊舱潜水器进行数值建模并模拟其水动力性能,求得潜水器的主要水动力系数,并比较不带吊舱潜水器与带吊舱潜水器的阻力性能和斜航性能,探讨了吊舱对潜水器主艇体水动力性能的影响。其次,对带吊舱潜水器进行操纵性模型试验,得到其水动力系数,并将计算结果与试验结果进行了比较验证。最后,建立潜水器空间六自由度运动的一般方程,对方程中潜水器所受的力和力矩进行分析,得到潜水器外力的主要成分及求解方法,并建立潜水器运动仿真系统,通过对带吊舱和不带吊舱的潜水器进行各种典型运动的仿真,比较分析了带吊舱潜水器和不带吊舱潜水器的运动性能和操纵性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 小型潜水器发展现状
• 1.3 潜水器水动力系数的获取方法
• 1.4 潜水器运动仿真技术
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 某潜器水动力性能数值计算
• 2.1 FLUENT软件数值求解原理
• 2.1.1 流体动力学控制方程
• 2.1.2 基于有限体积法的控制方程离散
• 2.1.3 基于SIMPLE算法和PISO算法的流场数值计算
• 2.1.4 湍流流动及其数学模型
• 2.1.5 壁面函数法
• 2.2 基于FLUENT软件水动力性能的数值计算
• 2.2.1 计算模型和计算域
• 2.2.2 网格的划分
• 2.2.3 边界条件的设置
• 2.2.4 直航阻力试验数值模拟
• 2.2.5 斜航试验数值模拟
• 2.2.6 PMM试验数值模拟
• 2.3 本章小结
• 第3章 带吊舱某潜器水动力性能数值计算
• 3.1 计算模型和计算域
• 3.2 网格的划分
• 3.3 直航阻力试验数值模拟
• 3.4 斜航试验数值模拟
• 3.5 PMM试验数值模拟
• 3.6 本章小结
• 第4章 带吊舱某潜器水动力性能试验
• 4.1 模型试验的目的和试验装置
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试验装置
• 4.2 模型水动力试验
• 4.2.1 直航阻力试验
• 4.2.2 斜航试验
• 4.2.3 纯升沉运动试验
• 4.2.4 纯俯仰运动试验
• 4.2.5 纯横荡运动试验
• 4.2.6 纯摇艏运动试验
• 4.3 结果比较分析
• 4.4 若干耦合系数的近似关系式及推算
• 4.5 带吊舱潜器水动力系数汇总
• 4.6 不带吊舱潜器水动力系数汇总
• 4.7 本章小结
• 第5章 潜器运动仿真
• 5.1 潜器运动数学模型
• 5.1.1 潜器坐标系的建立及其转换
• 5.1.2 潜器六自由度运动的一般方程
• 5.1.3 潜器空间运动的受力分析
• 5.2 运动仿真及操纵性分析
• 5.2.1 运动仿真器建立
• 5.2.2 潜器运动能力仿真及分析
• 5.2.3 潜器操纵性能仿真及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢