AUV的水動力優(yōu)化及近水面運動性能研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)的不斷進步，全球人口數(shù)量的不斷增多，人類社會對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和開采設備以及海軍裝備的研發(fā)和建造。無人水下航行器（AUV）在海洋資源探測和開發(fā)等方面有著不可替代的作用。如何設計出操控性能好、作業(yè)時間長的AUV是科研人員的一個研究重點，這方面的研究離不開計算流體力學（CF

2、D）的支持。本文從計算流體力學的準確性、AUV艇體形狀和附體布局優(yōu)化、AUV在無波和有波海洋環(huán)境下近水面運動時的運動性能等方面進行深入研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　本文首先對計算流體力學基本方法進行簡要介紹，通過空腔算例驗證一種以數(shù)據(jù)同化理論為基礎的計算/實驗流體力學結(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，加入多目標優(yōu)化方法中的自適應模擬退火算法對原方法進行補充，計算結(jié)果表明補充后方法具有更好的魯棒性和準確性。其次比

3、較了經(jīng)驗公式、模型試驗和 CFD計算三種方法在計算回轉(zhuǎn)體直航阻力時方面的優(yōu)點和不足。使用二維CFD方法、標準壁面函數(shù)和自適應非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算回轉(zhuǎn)體直航阻力，分析首部或尾部的長度和飽滿度改變時總阻力的變化規(guī)律。搭建了一個計算精度好、效率高且適用范圍廣的回轉(zhuǎn)體直航阻力優(yōu)化平臺，該平臺可以用于大多數(shù)回轉(zhuǎn)體型AUV的方案設計。再次用CFD方法模擬SUBOFF的直航阻力試驗，通過與試驗數(shù)據(jù)的對比驗證方法的準確性。利用驗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，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)合對多附體AUV重新進行布局優(yōu)化以達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。利用試驗模擬結(jié)果計算A

5、UV的水動力系數(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、動穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性指數(shù)隨潛深的變化規(guī)律，為AUV設計和近水面操縱提供參考。最后基于勢流理論方法模擬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的受力變化，根據(jù)受力計算AUV在不同潛深迎波航行時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受力的變化。此外用時域方法研究AUV在不規(guī)則波環(huán)境中航行時的受力和運動響應，重點關(guān)注了較長時