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原文传递 AUV的水动力优化及近水面运动性能研究

论文题名：	AUV的水动力优化及近水面运动性能研究
关键词：	水下航行器;迎波航行;航行阻力;流体力学
摘要：	随着科学技术的不断进步，全球人口数量的不断增多，人类社会对自然资源的种类和总量的需求都在不断地增加。越来越多的国家把注意力转移到海洋资源开发中，国家之间的海洋领土争端也变得越来越激烈。世界各国正在投入大量的人力和物力用于海洋资源探测和开采设备以及海军装备的研发和建造。无人水下航行器（AUV）在海洋资源探测和开发等方面有着不可替代的作用。如何设计出操控性能好、作业时间长的AUV是科研人员的一个研究重点，这方面的研究离不开计算流体力学（CFD）的支持。本文从计算流体力学的准确性、AUV艇体形状和附体布局优化、AUV在无波和有波海洋环境下近水面运动时的运动性能等方面进行深入研究，主要研究内容如下：　　本文首先对计算流体力学基本方法进行简要介绍，通过空腔算例验证一种以数据同化理论为基础的计算/实验流体力学结合方法的可行性。在随后的分析工作中发现该方法的不足，加入多目标优化方法中的自适应模拟退火算法对原方法进行补充，计算结果表明补充后方法具有更好的鲁棒性和准确性。其次比较了经验公式、模型试验和 CFD计算三种方法在计算回转体直航阻力时方面的优点和不足。使用二维CFD方法、标准壁面函数和自适应非结构网格计算回转体直航阻力，分析首部或尾部的长度和饱满度改变时总阻力的变化规律。搭建了一个计算精度好、效率高且适用范围广的回转体直航阻力优化平台，该平台可以用于大多数回转体型AUV的方案设计。再次用CFD方法模拟SUBOFF的直航阻力试验，通过与试验数据的对比验证方法的准确性。利用验证后的方法模拟在不同位置添加不同尺寸的附体后SUBOFF的直航试验，研究各种方案下SUBOFF受到的阻力、升力和俯仰力矩的变化规律。利用克里金方法建立AUV附体布局与直航阻力之间的近似模型，与多岛遗传优化算法相结合对多附体AUV重新进行布局优化以达到直航阻力最小的目的。然后利用流体体积函数法（VOF）和重叠网格技术模拟了AUV在水面做无攻角和有攻角航行时阻力、升力以及俯仰力矩的变化情况。模拟了AUV近水面不同潜深下的直航、斜航、横荡和摇首试验。利用试验模拟结果计算AUV的水动力系数，研究各系数随潜深的变化规律，分析AUV的静稳定性、动稳定性和回转性指数随潜深的变化规律，为AUV设计和近水面操纵提供参考。最后基于势流理论方法模拟AUV在不同潜深下的迎波和斜波航行。观察 AUV遭遇不同条件波浪时的受力变化，根据受力计算AUV在不同潜深迎波航行时所能承受的波浪最大幅值。研究AUV在不同潜深下以不同角度做斜波航行时受力的变化。此外用时域方法研究AUV在不规则波环境中航行时的受力和运动响应，重点关注了较长时间内高阶波浪力对AUV姿态的累积作用。详细分析了水面漂浮状态下的AUV在规则波和不规则波环境下航行时的受力和运动响应情况，对AUV在一阶波浪力作用下的瞬时运动和在高阶波浪力作用下的时间运动累积进行了全面的研究。
作者：	王亚兴
专业：	流体力学
导师：	庞永杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文