考虑水下机器人对流场影响的螺旋桨水动力性能研究

摘要

随着人类探索的步伐向海洋进发，水下机器人作为一种高技术手段，在开发海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。对水下机器人包括其动力螺旋桨的水动力性能的研究是整个研究中的前期部分。而对螺旋桨水动力性能的研究是一个比较成熟的问题，应引入新方法，本文利用CFD计算形成对螺旋桨水动力性能快速预报的能力，使CFD成为螺旋桨设计的手段之一，发挥CFD计算结果信息量大的特点，对螺旋桨相关性能进行考察。
　　 本文先运用Pro＼E软件对复杂的型体——螺旋桨实现参数化建模，从数值模拟的角度出发，借助大型通用计算流体力学软件FLUENT，采用合适的计算方法与计算模型对螺旋桨敞水进行数值模拟，对数值模拟的得到的敞水性能曲线、桨叶表面压力云图、尾流、倒车性能和雷诺数影响的考察，结果表明运用该方法对螺旋桨水动力性能的研究是行之有效的。通过设置变化流场，研究在变化流场作用下螺旋桨水动力性能的表现，从计算结果可以看出与螺旋桨推进方向逆向的水流能增大螺旋桨的推力，而同向的水流会对螺旋桨推力起到削弱作用；而侧向的水流对螺旋桨推力、扭矩等宏观性能影响不大。研究导管螺旋桨的水动力性能，加入水下机器人主体模型，考虑导管螺旋桨与水下机器人主体之间的相互影响作用下的螺旋桨性能。
　　 根据获得的参数、空间六自由度方程和缆绳运动方程，运用FORTRAN语言编写程序，以计算机作为平台，在用FLUENT软件计算中导入该程序，得到水下机器人运动仿真系统。对水下机器人简单的运动进行仿真，包括自转、纵向运动和纵横向运动耦合等。本文提出的计算模型考虑了螺旋桨与主体水动力相互影响的情况。计算结果表明：本文所提出的模型可以有效地预报有缆水下机器人的水动力特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 水下机器人发展概述

1.1.1 关于海洋

1.1.2 水下机器人历史回顾

1.1.3 水下机器人的发展趋势

1.2 螺旋桨推进器的数值模拟研究综述

1.2.1 推进器动力理论

1.2.2 目前已经提出来的基本的推进器动力模型

1.2.3 小结

1.2.4 以上提出的模型存在的问题和展望

1.3 论文的主要研究方法

1.4 本章小结

第二章 数值模拟的理论基础

2.1 数值模拟实施软件介绍

2.2 数值模拟相关理论基础

2.2.1 控制方程离散

2.2.2 湍流模型

2.2.3 常用计算方法

2.2.4 UDF

2.2.5 移动区域模拟方法

2.3 数值模拟的实现

2.4 本章小结

第三章 复杂曲面螺旋桨三维参数化造型

3.1 引言

3.2 螺旋桨机械模型的结构造型参数的确定

3.3 桨叶曲面型值点三维直角坐标计算模型

3.4 本章小结

第四章 螺旋桨水动力数值模拟

4.1 数学模型

4.1.1 控制方程与湍流模式

4.1.2 螺旋桨几何模型的生成

4.1.3 计算域与网格划分

4.1.4 边界条件及计算模型的选择

4.1.5 求解模型和参数的确定

4.2 数值计算结果的考察分析

4.2.1 敞水性能曲线计算结果与试验的对比

4.2.2 对桨叶表面上的压强云图的考察

4.2.3 尾流考察

4.2.4 倒车性能的考察

4.2.5 雷诺数影响的考察

4.2.6 本章小结

第五章 变化流场对螺旋桨性能的影响

5.1 研究内容

5.2 第一种变化流场对螺旋桨性能的影响

5.3 第二种变化流场对螺旋桨性能的影响

5.4 小结

第六章 导管螺旋桨水动力性能数值模拟计算

6.1 导管螺旋桨的建模

6.2 数值计算方法

6.3 计算域的划分

6.4 边界条件的选取

6.5 数值模拟与结果分析

6.6 在有水下机器人的流场中的螺旋桨水动力特性计算

6.6 本章小结

第七章 有缆水下机器人运动数值模拟

7.1 有缆水下机器人运动数值模拟

7.2 有缆水下机器人的水动力模型

7.2.1 缆绳的运动方程

7.2.2 缆绳运动方程的边界条件

7.2.3 水下机器人主体的运动方程

7.2.4 数值模型的数值解

7.3 简易水下机器人操纵数值模拟

7.3.1 水下机器人自转运动仿真

7.3.2 水下机器人纵向运动仿真

7.3.3 水下机器人回转运动仿真

7.3.4 本章小结

结束语

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢