水下拖曳系统的流体动力CFD分析

摘要

水下拖曳系统或称拖曳式多参数剖面测量系统是一种日益广泛应用于海洋研究、海洋监测与军事等领域的水下探测装置，它在海洋环境与海洋资源调查以及国防建设中有着特殊的用途。系统通常由拖曳电缆以及被动或可控制水下拖曳体组成。在数值模拟中是否能够准确地描述拖曳缆绳和拖曳体的水动力状态是能否准确地模拟拖曳系统的水动力性能的关键。如何建立合理正确的水下拖曳体水动力数学模型，一直是人们研究的重点，也是难点。　　　　本文提出一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由AblowandSchechter模型给出，GertlerandHargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。　　在本研究中，拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近，每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。在此基础上，利用GMIBIT绘制水下拖曳体的三维几何物理模型，并生成合理的非结构性网格.导入FLUENT软件后，通过FLUENT中的UDF功能，分别编译拖曳体转动机翼以及整体机身，以达到水下拖曳体的动态仿真.同时，应用FORTRON语言模拟拖曳体缆绳的控制方程以及水下运载体的六自由度方程，通过FLUENT与FORTRAN语言的混编与对接，以实现拖曳体的水下动态模拟.　　本文所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果表明：本文所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。并且经过深一步的研究，对于实际海况的复杂情况，本课题所提出的方法也能得到良好的结果，证明了本方法的可靠性和可行性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章综述

1.1计算流体力学常用数值方法简介

1.1.1计算流体力学的简介

1.1.2计算流体力学常用数值方法

1.1.3计算流体力学主要通用商业软件简介

1.2水下机器人的简单介绍

1.2.1水下机器人介绍

1.2.2国内外对水下机器人研究

1.3无人有缆潜水器及水下拖曳体系统

1.3.1无人有缆潜水器

1.3.2水下拖曳体介绍及研究状况

1.4研究的意义和目的及国内外研究现状

1.4.1本文的主要目的和主要工作

1.4.2课题的简要流程

1.5本章小节

第二章水下拖曳体流场计算的数值模型和物理模型

2.1拖曳体的数值模拟及实施软件

2.1.1拖曳体的数值模拟介绍

2.1.2建立拖曳体物理模型的软件

2.2水下拖曳体几何模型建立

2.3标准的k-e湍流模型

2.4边界条件和初始条件

2.4.1进出口流速边界条件

2.4.2壁面边界条件

2.4.3初始条件

2.5FLUENT的用户自定义函数

2.5.1动网格的定义

2.5.2动网格的更新方式

2.5.3关于刚性固体运动学理论依据

2.6 SI MPLE算法

2.7与FORTRAN语言的混编连接

2.8本章小节

第三章水下拖曳体的水动力系统

3.1概述

3.2拖曳系统的水动力数学模型

3.2.1缆绳的运动方程

3.2.2拖曳缆绳运动方程的边界条件

3.2.3拖曳体的运动方程

3.2.4作用在拖曳体上的水动力载荷计算

3.2.5拖曳体方向角与其角速度的关系

3.3本章小节

第四章实验室样机试验条件下的数值模拟

4.1课题算例简介

4.2水下拖曳体物理模型的建立

4.2.1水下拖曳体几何模型的建立

4.2.2网格划分

4.2.3边界条件及参数设定

4.3数值模拟及其计算结果

4.3.1设定参数及UDF编辑

4.3.2FORTRAN语言

4.4本章小节

第五章实际海况下拖曳体水动力状态的数值模拟

5.1概述

5.2数值模拟及其计算结果

5.3本章小结

结束语

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢