基于CFD的混合驱动水下航行器外形研究

摘要

水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)一般均采用螺旋桨驱动，以拥有更快的速度和高机动性；但由于携带的能量有限，续航能力欠佳。无人水下滑翔器(Autonomous Underwater Glider，AUG)采用浮力驱动的水下滑翔器以锯齿形轨迹航行，续航能力大、噪音小，但航速低、机动性差。将AUG和AUV两者功能、结构集成，即可得到一种兼具二者优点的新型混合驱动水下航行器。本文针对混合驱动水下航行器的工作要求与结构特点，基于计算流体动力学，分析航行器水阻特性与水动力参数，进而优化航行器外形。本文主要研究内容及成果如下：
　　 1.合理的计算模型是保证计算流体动力学预测精度的关键。本文采用五种湍流计算模型，对给定AUV模型的水阻力进行数值模拟，将数值模拟结果与试验结果对比，筛选出了水阻力预测精度最高的计算模型--SST k-ω湍流模型。
　　 2.针对混合驱动水下航行器主体的外形设计，基于SST k-ω湍流模型和计算流体动力学分析软件Fluent，分析了水下航行器Myring型回转体外形长径比对水阻力的影响规律，得到两个低阻区间；在此基础上，考虑航行器主体和压载水舱对水下航行器水阻特性的影响，在低阻区间中选用适合的回转体长径比，对水下航行器外形进行阻力优化，并得到较好降阻效果。
　　 3.针对混合驱动水下航行器机翼设计，采用计算流体力学方法，从续航能力、稳定性以及机动性方面分析了机翼的效果；从实际航行任务角度讨论了机翼的必要性；建议混合驱动水下航行器采用可折叠或可收缩机翼设计。