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基于CFD的长航程AUV水动外形设计优化研究
| 论文题名： | 基于CFD的长航程AUV水动外形设计优化研究 |
| 关键词： | 自主式水下航行器;水动外形;优化设计;计算流体动力学 |
| 摘要： | 自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）是一种综合人工智能和其他先进技术的水下航行器，无论在海洋科学研究还是海洋安全保障方面都发挥着重要作用。AUV一般都采用螺旋桨驱动，具有较快的速度和机动性，但其航程一般较短，通常只有几百公里。水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider,AUG）是一种轻量型的海洋观探测设备，它可以通过调节净浮力和姿态角实现水下滑翔运动，具有续航能力强、成本低等优点，航程在几千公里量级。长航程AUV结合了两者的优点，既有较高的机动性，又可以进行滑翔运动。本文将以长航程AUV为研究对象，通过计算流体动力学对其水动外形（主体外形和平板机翼布局与结构）进行水动力分析与优化，从而达到减阻和提升运动稳定性的目的。主要研究内容如下： 首先，针对计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真建模方法进行了验证。以实验室研制的长航程水下滑翔机模型为研究对象，采用SST k-ω湍流模型，建立其CFD仿真模型并计算其水动力，通过与水槽试验结果对比，验证了本文建立的CFD仿真方法的准确性及可用性。 其次，通过对比分析了几种常见的主体线型，选择Myring线型作为长航程AUV的主体线型；在此基础上，分别分析了长航程AUV首部与尾部形状、雷诺数、长径比对其直航阻力的影响规律；并结合首部和尾部的体积变化规律，确定了长航程AUV主体外形参数的取值范围，为后续优化设计提供基础数据。 再次，利用优化拉丁超立方试验设计方法与近似模型技术构建了长航程AUV主体线型优化的四阶响应面阻力模型，利用iSIGHT软件，以体积为约束，以水动阻力为优化目标，采用多岛遗传算法对四阶响应面模型对水动外形参数进行优化，得到了满足优化目标要求的长航程AUV最优主体外形参数。 最后，通过对长航程AUV在纵平面内稳态航行时的受力分析，得出了机翼设计优化的评价指标，即升阻比和稳定性；通过正交试验分析了机翼攻角、弦长、展弦比、后掠角、安装位置五个参数对长航程AUV升阻比和稳定性的影响规律，确定了机翼外形参数的取值范围；在此基础上，以机翼面积为约束，以尽可能得到大升阻比和强稳定性为优化目标，采用加权系数法，构建了多目标优化模型，获得了最优机翼布局及结构参数，有效解决多目标函数设计优化问题。 |
| 作者： | 郑健 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘玉红;姜九旺 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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