多功能潜水器操纵性能与运动仿真研究

论文摘要

操纵性能是潜水器性能的重要组成部分,也是潜水器设计优劣的重要判据。在求得水动力导数的基础上,建立潜水器运动的数学模型,编写相应的程序就可以实现运动仿真,预报其操纵性,为智能控制打下基础。因此求取潜水器的水动力成为操纵性能分析的关键。求取作用在潜水器上的水动力的方法主要有三种,即基于势流理论的Hess-Smith方法、半理论半经验的估算方法和拘束船模试验方法。近年来,粘性流CFD的研究取得了一定的进展,粘性数值流场计算理论不断成熟,FLUENT的并行计算技术大大提高了数值模拟的计算速度。本文介绍了FLUENT软件的并行计算技术和UDF的有关内容,采用该软件的动网格技术模拟多功能潜水器的粘性绕流流场,求解水动力系数。为了验证该方法的有效性,模拟了标准椭球体的平面运动机构（PMM）试验,将结果与理论值进行对比,分析了计算的精确度。在此基础上,采用并行计算模拟多功能潜水器的阻力试验、斜航试验和PMM试验,将计算结果与面元法计算、近似估算结果进行了对比分析。根据计算结果推算若干非线性水动力系数,加入仿真程序预报其操纵性能。给出了直航运动、垂直面运动、Z形运动和回转运动的仿真结果,为潜水器的设计和控制系统设计提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水动力系数的获取方法
• 1.3 流场的数值模拟方法
• 1.3.1 湍流数值模拟方法
• 1.3.2 粘性流场数值模拟的研究进展
• 1.4 潜水器运动仿真技术
• 1.5 论文主要内容
• 第2章 FLUENT软件模拟PMM试验的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 粘性流场数值计算理论
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 基于有限体积法的控制方程离散
• 2.2.3 湍流模型
• 2.3 CFD的求解过程
• 2.4 用户自定义函数UDF
• 2.4.1 UDF概述
• 2.4.2 UDF宏和预定义函数
• 2.4.3 UDF的编写
• 2.4.4 UDF的编译与链接
• 2.5 Fluent并行计算
• 2.5.1 并行计算的实现过程
• 2.5.2 影响并行计算速度因素
• 2.5.3 并行计算中网格的分割
• 2.6 本章小结
• 第3章 操纵运动水动力计算研究
• 3.1 引言
• 3.2 ZS4型潜水器阻力计算
• 3.2.1 计算模型及求解控制参数
• 3.2.2 数值结果及分析
• 3.3 标准椭球体水动力计算
• 3.3.1 椭球模型
• 3.3.2 操纵运动水动力计算
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 多功能潜水器水动力计算
• 4.1 多功能潜水器计算模型的建立
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 计算模型
• 4.1.3 划分网格
• 4.1.4 指定边界类型
• 4.2 定常运动求解速度系数
• 4.2.1 求解器及求解控制参数的选取
• 4.2.2 阻力系数求解
• 4.2.3 模拟斜航试验
• 4.3 模拟平面运动机构试验
• 4.3.1 纯升沉运动
• 4.3.2 纯横荡运动
• 4.3.3 纯俯仰运动
• 4.3.4 纯摇艏运动
• 4.3.5 结果分析比较
• 4.4 若干非线性系数及计算
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 若干耦合系数的近似关系式
• 4.4.3 若干非线性耦合系数的推算
• 4.5 本章小结
• 第5章 多功能潜水器运动仿真
• 5.1 潜水器运动数学模型
• 5.1.1 建立坐标系和符号规则
• 5.1.2 六自由度空间运动方程
• 5.1.3 艇体水动力
• 5.1.4 环境影响
• 5.1.5 推进器推力仿真
• 5.1.6 重力与浮力
• 5.2 空间六自由度运动仿真及操纵预报
• 5.2.1 仿真程序简介
• 5.2.2 直航运动能力
• 5.2.3 垂直面运动能力仿真
• 5.2.4 Z形机动仿真
• 5.2.5 回转运动仿真
• 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