AUV的水動(dòng)力優(yōu)化及近水面運(yùn)動(dòng)性能研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球人口數(shù)量的不斷增多，人類社會(huì)對(duì)自然資源的種類和總量的需求都在不斷地增加。越來越多的國家把注意力轉(zhuǎn)移到海洋資源開發(fā)中，國家之間的海洋領(lǐng)土爭端也變得越來越激烈。世界各國正在投入大量的人力和物力用于海洋資源探測(cè)和開采設(shè)備以及海軍裝備的研發(fā)和建造。無人水下航行器（AUV）在海洋資源探測(cè)和開發(fā)等方面有著不可替代的作用。如何設(shè)計(jì)出操控性能好、作業(yè)時(shí)間長的AUV是科研人員的一個(gè)研究重點(diǎn)，這方面的研究離不開計(jì)算流體力學(xué)（CF

2、D）的支持。本文從計(jì)算流體力學(xué)的準(zhǔn)確性、AUV艇體形狀和附體布局優(yōu)化、AUV在無波和有波海洋環(huán)境下近水面運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)性能等方面進(jìn)行深入研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　本文首先對(duì)計(jì)算流體力學(xué)基本方法進(jìn)行簡要介紹，通過空腔算例驗(yàn)證一種以數(shù)據(jù)同化理論為基礎(chǔ)的計(jì)算/實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)結(jié)合方法的可行性。在隨后的分析工作中發(fā)現(xiàn)該方法的不足，加入多目標(biāo)優(yōu)化方法中的自適應(yīng)模擬退火算法對(duì)原方法進(jìn)行補(bǔ)充，計(jì)算結(jié)果表明補(bǔ)充后方法具有更好的魯棒性和準(zhǔn)確性。其次比

3、較了經(jīng)驗(yàn)公式、模型試驗(yàn)和 CFD計(jì)算三種方法在計(jì)算回轉(zhuǎn)體直航阻力時(shí)方面的優(yōu)點(diǎn)和不足。使用二維CFD方法、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算回轉(zhuǎn)體直航阻力，分析首部或尾部的長度和飽滿度改變時(shí)總阻力的變化規(guī)律。搭建了一個(gè)計(jì)算精度好、效率高且適用范圍廣的回轉(zhuǎn)體直航阻力優(yōu)化平臺(tái)，該平臺(tái)可以用于大多數(shù)回轉(zhuǎn)體型AUV的方案設(shè)計(jì)。再次用CFD方法模擬SUBOFF的直航阻力試驗(yàn)，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。利用驗(yàn)證后的方法模擬在不同位置添加不

4、同尺寸的附體后SUBOFF的直航試驗(yàn)，研究各種方案下SUBOFF受到的阻力、升力和俯仰力矩的變化規(guī)律。利用克里金方法建立AUV附體布局與直航阻力之間的近似模型，與多島遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合對(duì)多附體AUV重新進(jìn)行布局優(yōu)化以達(dá)到直航阻力最小的目的。然后利用流體體積函數(shù)法（VOF）和重疊網(wǎng)格技術(shù)模擬了AUV在水面做無攻角和有攻角航行時(shí)阻力、升力以及俯仰力矩的變化情況。模擬了AUV近水面不同潛深下的直航、斜航、橫蕩和搖首試驗(yàn)。利用試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果計(jì)算A

5、UV的水動(dòng)力系數(shù)，研究各系數(shù)隨潛深的變化規(guī)律，分析AUV的靜穩(wěn)定性、動(dòng)穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性指數(shù)隨潛深的變化規(guī)律，為AUV設(shè)計(jì)和近水面操縱提供參考。最后基于勢(shì)流理論方法模擬AUV在不同潛深下的迎波和斜波航行。觀察 AUV遭遇不同條件波浪時(shí)的受力變化，根據(jù)受力計(jì)算AUV在不同潛深迎波航行時(shí)所能承受的波浪最大幅值。研究AUV在不同潛深下以不同角度做斜波航行時(shí)受力的變化。此外用時(shí)域方法研究AUV在不規(guī)則波環(huán)境中航行時(shí)的受力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，重點(diǎn)關(guān)注了較長時(shí)