基于重叠网格的水下潜器操纵运动直接模拟

摘要

对于水下潜器来说，操纵性是其重要的水动力性能之一，准确预报操纵运动中的运动特性对于其安全和设计都至关重要。在初始设计阶段，对于潜艇操纵运动预报来说，传统的设计方法采用基于简化的数学模型，该方法方便快速，但结果非常依赖于数学模型的有效性与准确性，并且无法对流场进行详细分析。而随着CFD（Computational Fluid Dynamics）技术的发展以及并行计算的兴起，将船舶六自由度运动方程与流场计算相耦合的直接模拟（direct simulation）方法为操纵运动预报提供了另一种可能。 本文以DRAPA SUBOFF潜艇为研究对象，采用STAR CCM+商业软件包实现了潜艇的水平面超越运动和回转运动整个运动阶段的操纵运动模拟。在模拟中利用DFBI模块将流场计算与船舶六自由度运动耦合，采用重叠网格技术来处理潜艇附体之间复杂的相对运动，并编写函数对尾舵进行了控制，预报了潜艇在操纵运动中运动轨迹以及姿态的变化，并对流场信息进行了捕捉。 论文首先对SUBOFF直航运动进行了数值模拟，阻力预报结果以及流场细节与实验结果均较吻合，验证了数值方法的准确性；其次采用多种计算方案对SUBOFF的自航点进行了预报，并将计算结果与其他研究者研究成果对比，在接下来的操纵运动直接模拟中则将自航模拟作为其初始阶段，其中螺旋桨采用体积力模型；在水平面超越运动直接模拟中对SUBOFF运动轨迹、首向角、首摇角速度、漂角、速降时历曲线以及横倾角、纵倾角进行了对比分析，捕捉到了运动中的涡旋结构；最后在上述工作基础上针对匹配X舵以及十字舵的全附体SUBOFF在不同舵角下的回转运动进行了数值模拟，发现X舵相对十字舵在水平面操纵运动上具有显著的优势，同时分析了回转运动稳定阶段的力与力矩以及沿着艇身的流动变化。

目录

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自航预报方法

1.2.2 重叠网格方法

1.3 本文主要工作

第2章 数值模拟理论与方法

2.1 控制方程

2.2 雷诺平均方程

2.3 湍流封闭模型

2.4 数值计算方法

2.4.1有限体积法

2.4.2离散格式

2.5 潜艇六自由度运动方程

2.5.1 坐标系

2.5.2 六自由度运动方程

2.5.3 DFBI模块

2.6 重叠网格

2.7 体积力模型

2.8 本章小结

第3章 SUBOFF直航数值模拟与验证

3.1 计算对象

3.2 计算工况

3.3 网格无关性分析

3.4 计算对比与分析

3.4.1 阻力预报对比

3.4.2 压力场与流场对比

3.5 本章小结

第4章 SUBOFF自航预报

4.1 E1619螺旋桨计算

4.1.1 计算模型与计算工况

4.1.2 敞水曲线对比

4.1.3 流场对比分析

4.2 SUBOFF自航预报

4.2.1计算模型与计算工况

4.2.2.计算结果对比与分析

4.3 本章小结

第5章 水平面超越运动模拟与分析

5.1计算模型与计算工况

5.2计算对比与分析

5.2.1 运动特征参数分析

5.2.2 流场分析

5.3本章小结

第6章 不同舵型下的回转运动模拟与分析

6.1计算模型与计算工况

6.2自航预报

6.3 回转运动对比

6.3.1 运动特征参数分析

6.3.2 力与力矩分析

6.3.3 流场分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

学位期间取得的成果和参加科研情况