穿梭潜器水动力特性的数值模拟和试验研究

摘要

海洋是未来人类生存和发展的宝库,海洋资源开发如火如荼,载人深潜器是海洋资源开发的有力工具。世界各国都有自己的海洋开发计划,各种类型的载人深潜器层出不穷,几个发达国家都具有了可以下潜至6000米深海的多功能载人深潜器。我国“蛟龙号”载人深潜器已可下潜3700多米,标志着我国在深海潜水器领域的自主研发能力和海洋基础科学能力方面取得了世人瞩目的成就。穿梭潜器是载人深潜器的一种类型,其主要目的是运送物资和人员快速到达指定深海位置。
　　 穿梭潜器不同于一般潜艇,复杂多变的体型和灵活的操纵运动是其主要特点,本文针对某复杂构型的穿梭潜器,进行了水动力特性的试验研究和水动力特性的数值模拟研究,并进行了操纵运动仿真,为该型穿梭潜器的水动力设计提供了可靠依据,对将来其他类型潜水器的设计和水动力研究也具有重要的意义。
　　 本文的主要贡献和创新如下:
　　 1.利用循环水槽和平面运动机构通过物理模型试验的方法对穿梭潜器的水动力进行了测试,分析了附体位置不同时水动力的变化规律,为该型穿梭潜器附体位置的优化设计提供了依据。
　　 2.采用数值水池技术和Fluent软件对穿梭潜器实现了大攻角和大漂角的拖曳试验和旋转臂试验,测定了惯性水动力系数和粘性水动力系数。利用完成的物理模型试验结果验证了数值模拟方法的合理性,提出了分区的数值拖曳水池模型和基于参考系相对运动的数值旋转臂水池模型,节省了大量的划分网格时间,提高了模拟效率。
　　 3.采用物理模型试验和数值模拟的方法同时对该型复杂构型穿梭潜器的惯性类水动力进行了测试,数值模拟中使用了基于势流面元法、无粘和粘性的求解器,通过对比物理模型试验的结果,发现采用粘性流求解器计算得到的附加质量与试验结果最为接近。
　　 4.根据物理模型试验流程和数值模拟过程的比较,分析不同数值模拟所得水动力结果的变化规律,针对穿梭潜器操纵运动的特征建立了水动力的平方项模型,该模型水动力方程表述简洁,具有快速测算水动力的特点,系数测算效率比常规试验的数值模拟测算效率提高了6倍。
　　 5.采用数值模拟的方法对该型穿梭潜器接近海底结构物时的水动力特性进行了研究,发现了不同的水下对接过程中升力和力矩的变化规律,对“援潜救生”和潜水器的水下对接具有重要的参考价值。