近水面航行的欠驱动水下航行器水动力性能研究

摘要

在不断寻求新资源的过程中，海洋资源日益受到人们的重视。在探寻丰富的海洋资源的过程中，水下航行器是一种重要的辅助探测工具，尤其是外形规整、结构简单的鱼雷形欠驱动水下航行器，在海洋资源搜索中发挥着关键作用。良好的水动力性能是水下航行器能准确探寻到水下资源的关键，然而目前大多数研究是针对于水下航行器深水航行时的水动力性能，对于近水面航行的水动力性能研究较少。水下航行器近水面航行时容易受到自由液面的影响，因此其水动力性能不同于深水航行状态，研究近水面的水动力性能具有较高的理论价值和工程意义。
　　近年来，随着计算机技术的发展、网格技术的优化和求解器精度的提升，越来越多的人基于CFD理论开展数值模拟计算来研究水下航行器的水动力性能。本文基于CFD理论，运用Fluent软件对欠驱动水下航行器近水面航行进行数值模拟，计算其水动力系数，分析其水动力性能。
　　首先，分析欠驱动水下航行器在不同潜深，不同航速下直航时的水动力性能，然后分析水下航行器在不同攻角或漂角下斜航时的水动力性能，计算每种工况下受到的阻力和力矩，给出阻力和力矩随潜深和航速变化的曲线，通过分析其具体数值给出阻力和力矩变化幅度，观察速度云图和压力云图，分析其变化原因。
　　其次，对欠驱动水下航行器在近水面的升沉、俯仰、横荡、艏摇运动进行数值模拟，分别计算其在不同频率下的阻力和力矩值，通过相关软件进行曲线拟合，无因次化后得到水动力系数，最后分析得到水动力系数随频率变化的规律。
　　最后，研究线型对欠驱动水下航行器阻力性能的影响。对比碟形、鱼雷形、流线形、椭球体形的水下航行器在同等条件下直航时的阻力数据，分析得出使欠驱动水下航行器阻力性能更优的线型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究目的和意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 论文主要研究内容

第2章 CFD数值模拟计算理论及方法

2．1 控制方程

2．2 湍流模型

2．3 离散方法及离散格式

2．4 SIMPLE算法

2．5 自由液面处理方法

2．6 本章小结

第3章 欠驱动水下航行器近水面直航、斜航运动数值模拟计算

3．1 引言

3．2 计算模型及网格划分

3．3 直航运动数值模拟计算

3．3．1 不同潜深下的阻力计算

3．3．2 阻力增加幅度和增加原因

3．3．3 自由液面模拟

3．3．4 垂向力计算

3．3．5 纵倾力矩计算

3．4 斜航运动数值模拟计算

3．4．1 计算模型及网格划分

3．4．2 水平面运动数值模拟计算

3．4．3 垂直面运动数值模拟计算

3．5 本章小结

第4章 欠驱动水下航行器水动力系数数值模拟计算

4．1 引吾

4．2 水下航行器六自由度运动规律

4．3 计算模型及网格划分

4．4 数值模拟计算及分析

4．4．1 纯横荡运动

4．4．2 纯升沉运动

4．4．3 纯艏摇运动

4．4．4 纯俯仰运动

4．5 本章小结

第5章 线型对水下航行器水动力性能的影响

5．1 引言

5．2 不同线型的欠驱动水下航行器

5．2．1 三维模型设计方案

5．2．2 计算模型及网格划分

5．2．3 流场的描述

5．2．4 数值模拟计算及结果分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢