双尾半潜无人艇近自由液面操纵性研究

摘要

水下航行器因为具有良好的操纵性、隐身性及可靠性而被广泛用于民品、商用和军品等领域。水下航行器在绝大多数工作状态下都处于深水区域，而在某些特定情况比如从水面平台布放和回收、上潜到自由液面进行 GPS定位等，会在自由液面附近航行，这时由于自由液面的作用，潜体所受到的水动力与其在深水航行时是不同的。因此，有必要对其近自由液面的水动力性能进行研究。而操纵性是水下航行器的一个重要的性能，所以研究水下航行器近自由液面的操纵性也是十分必要的。 本文基于一新型双尾半潜无人艇，利用基于有限体积法的 CFD软件 STAR-CCM+对其近自由液面的操纵性能进行研究。本文主要进行了以下工作： 首先，回转体是形式最为简单的潜体模型，任何大型化常规潜体的设计研发初期均与回转体的研究是密不可分的。因此，本文利用回转体模型，分别模拟了其在近自由液面的包括直航、斜航在内的六自由度运动，将计算所得结果与文献中的数据进行对比，验证 CFD计算的可靠性，并初步研究了水下航行器在近自由液面运动时与自由液面之间的相互作用机理，为计算双尾半潜无人艇近自由液面的操纵性能打下基础。 之后，对双尾半潜无人艇进行模拟计算，分别计算了其在航速为4节、5节、6节，吃水为600mm、800mm和1000mm下的直航运动和漂角分别为2°、4°、6°的水平面内的斜航运动，获得其在不同运动状态下受到的力和力矩，并根据计算结果分析半潜艇受到的力和力矩随航速、吃水以及漂角的变化规律。 最后，对该双尾半潜无人艇近自由液面的六自由度运动进行模拟计算。模拟了半潜艇在设计航速4节，吃水分别为600mm、800mm和1000mm，运动频率分别为0.4Hz和0.5Hz下的纯横荡、纯艏摇、纯升沉、纯俯仰运动，分析了半潜艇在纯横荡、纯艏摇运动中受到的侧向力和偏航力矩以及在纯升沉、纯俯仰运动中受到的垂向力和纵倾力矩随吃水和频率变化的规律，计算了与速度和加速度相关的水动力导数。并模拟了半潜艇的回转运动，通过对双尾施加两个不同大小的力来研究双尾半潜无人艇的回转运动响应。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 CFD研究理论基础

2.1 控制方程

2.2 SST k-ω湍流模型介绍

2.3 壁面函数

2.4 VOF方法

2.5 DFBI旋转和平移

2.6 本章小结

第3章 回转体近自由液面操纵性能研究

3.1 计算模型

3.2 回转体直航水动力性能计算

3.3 回转体斜航水动力性能计算

3.4 回转体六自由度运动水动力性能计算

3.5 本章小结

第4章 半潜艇近自由液面直航、斜航运动数值模拟

4.1 计算模型及计算域网格划分

4.2 半潜艇近自由液面直航水动力性能计算

4.3 半潜艇近自由液面斜航水动力性能计算

4.4 本章小结

第5章 半潜艇近自由液面六自由度运动数值模拟

5.1 计算域网格划分

5.2 纯横荡运动水动力性能计算

5.3 纯艏摇运动水动力性能计算

5.4 纯升沉运动水动力性能计算

5.5 纯俯仰运动水动力性能计算

5.6 回转运动水动力性能计算

5.7 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