基于CFD的水下直升机水动力及运动稳定性能的研究

摘要

近年来，人们对于能源的需求越来越大，在陆地上资源逐渐短缺的情况下，对蕴藏丰富资源的海洋的探索与开发成为了各个国家关注的焦点。智能水下机器人由于可以代替人工进行海底资源的开发、海底区域的巡航与探测、海底救援与打捞等工作，在民用和军用方面受到了人们的高度重视。由于海底地形复杂并且会有海流的干扰，因此开发一种稳定性和操纵性俱佳的水下机器人成为了人们研究的一个重要方向。
　　本文提出了一种新型的水下机器人-水下直升机，并将其作为研究对象。水下直升机由于其圆碟形的艇体结构而具有全周转向以及精确起降和着底等特点。由于水下直升机是在水下工作，因而其水动力性能便成为设计和优化过程中首要考虑的因素之一。围绕水下直升机的水动力性能这一研究目标，本文的研究内容可以归纳为:
　　首先，水下直升机由于在海底工作时只能携带有限的能源，因此需要根据其所携带的电池电量计算出其航程，航程主要取决于航行中的阻力、电池电量以及螺旋桨的效率。本文采用计算流体力学(CFD)方法对水下直升机的阻力以及螺旋桨的水动力性能进行了计算得出了水下直升机航程与速度的变化曲线。此外，为了分析不同姿态的运动，本文对水下直升机在不同攻角以及漂角下的水动力进行了计算，得出了升阻力、纵倾力矩、阻升比随攻角的变化曲线，并且应用合力矩原理计算了水下直升机的水动力中心。
　　动稳定性对水下直升机的性能非常重要，是水下直升机垂直面深度控制与水平面航向控制的重要特性。在设计航速1-3节的低速情况下，采用线性水动力导数组成的Routh稳定性判据，分析了水下直升机在水平面及垂直面上的运动稳定性，计算结果说明，水下直升机满足水平面以及垂直面上运动稳定性，并且在垂直面上具有优于传统鱼雷型潜水器的运动稳定性。
　　由于水下直升机在海底工作时不可避免地会受到水下扰流的影响，从而影响水下直升机的工作状态和安全性。水下直升机依靠其特殊形状可以实现传统潜水器所不能实现的绕自身中心轴的旋转运动。受马格纳斯效应的启发，本文将这种新型的运动方式加以应用，采用CFD方法分析了水下直升机在定常来流下自转运动所产生的侧向力，即马格纳斯力。通过与相对静止运动下的水下直升机所产生的侧向力对比可知，水下直升机通过自转可以明显改变其艇体表面的压力分布，从而产生一个与来流方向垂直的侧向力。通过对水下直升机在1节和2节来流速度下设定不同的自转速度进行仿真计算，结果表明，水下直升机的自转运动可以产生侧向力帮助其逃离扰流区，保证水下直升机在水下作业的安全。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外水下机器人研究现状

1．3 CFD在水下机器人研究领域的应用

1．4 论文主要研究内容

2 水下直升机总体设计与动力学建模

2．1 水下直升机的总体设计

2．2 样机安装与调试

2．3 水下直升机运动方程建模

2．4 本章小结

3 水下直升机的升阻力计算及螺旋桨性能分析

3．1 引言

3．2 升阻力系数及水动力中心的计算

3．2．1 计算域建模及网格划分

3．2．2 边界条件设定

3．2．3 直斜航运动时升阻力系数的计算

3．2．4 直斜航运动时水动力中心的计算

3．2．5 垂直面内升降时阻力的计算

3．3 螺旋桨的水动力性能分析

3．3．1 螺旋桨的几何模型

3．3．2 网格划分及边界条件设定

3．3．3 螺旋桨水动力性能分析

3．4 水下直升机的航程计算

3．5 本章小结

4 水下直升机运动稳定性分析

4．1 引言

4．2 运动稳定性方程建模

4．2．1 水平面运动稳定性方程建模

4．2．2 垂直面运动稳定性方程建模

4．3 计算前处理

4．3．1 湍流模型的选择

4．3．2 网格划分

4．3．3 边界条件设定

4．4 水下直升机运动稳定性分析

4．4．1 水平面运动稳定性分析

4．4．2 垂直面运动稳定性分析

4．5 水下直升机运动稳定性试验验证

4．6 本章小结

5 水下直升机的抗流性能分析

5．1 引言

5．2 马格纳斯力的计算

5．2．1 运动方程

5．2．2 网格划分及边界条件设定

5．2．3 马格纳斯力的仿真结果分析

5．3 水下直升机逃离扰流区的速度分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介