详情

原文传递非光滑水下航行器减阻效能研究

论文题名：	非光滑水下航行器减阻效能研究
关键词：	水下航行器;非光滑结构;减阻效能;计算流体动力学
摘要：	目前各类水下航行器正朝着低阻力、低噪声、高隐蔽性方向发展，所以现有水下航行器的性能需要进一步提高，降低航行阻力是提高航行器性能最有效、最直接的办法，低阻力的新型水下航行器吸引了越来越多专家学者的研究。　　非光滑表面减阻是广大专家学者普遍看好的一种新型减阻方式，非光滑减阻是指通过在绕流体表面覆盖一层非光滑结构（如三角形沟槽、随行波、凹坑等）来改变近壁区的湍流结构，使近壁区的湍流猝发强度减弱，从而降低湍流的强度，减少湍流能量损失，降低绕流体表面阻力。该方法不需要改变绕流体形状，也不需要增加任何附加设备，绿色环保，具有很高的工程应用价值。　　本文在传统非光滑结构减阻研究的基础上，提出一种多工况耦合非光滑结构减阻策略，有针对性地降低航行器各部分阻力。本文将流体流过航行器表面的过程分为两个阶段:水平位置阶段和流固分离阶段，将常见非光滑结构分为两类:导流性结构（如三角形沟槽）和吸附性结构（如随行波），并将该非光滑结构分别布置在上述位置，最后对每种组合的减阻机理进行分析，研究每种组合对绕流体摩擦阻力和压差阻力的影响。　　本文采用Pro/E+HyperMesh+Fluent搭建数值模拟仿真体系对非光滑绕流体减阻效能进行仿真研究，首先利用Pro/E提取水下航行器水平位置和流固分离位置形状并进行抽象建模，然后利用HyperMesh的CFD模块进行网格划分，最后利用Fluent作为求解器进行求解。重复上述过程，分别对0.5-10m/s的航速下每种组合进行仿真模拟。　　利用Fluent的Result模块进行后处理，得到研究所需的各类数据和流场特性云图。分析发现:在流固分离位置，绕流体的压差阻力占主导地位，在该位置布置随行波等吸附性的非光滑结构有吸附分离流体再附着的趋势，从而提高绕流体尾部压强，降低前后压差，减小绕流体压差阻力;在水平位置，绕流体的摩擦阻力占主导地位，在该位置布置三角形沟槽等导流性结构能够减弱近壁区的湍流猝发强度，降低湍流强度，减少湍流能量损失，减少流体表面剪切应力，从而降低水平位置所受的摩擦阻力。　　最后将水平位置和流固分离位置进行整合，将吸附性非光滑结构布置在航行器尾部表面，将导流性费光滑结构布置在航行器水平位置，同时研究湍流结构改变对流体噪声的影响，进行流体动力学和噪声联合仿真，仿真结果表明，相对光滑水下航行器，覆盖组合式非光滑表面的水下航行器表面摩擦阻力、压差阻力都有所下降。同时近壁区的湍流猝发强度减弱，湍流的强度减弱，湍流能量损失减少，从而减小了压力脉动强度，最终导致湍流噪声也降低了。　　本文提出的多工况耦合非光滑结构减阻策略能够有针对性的降低航行器各位置阻力。分析过程中所得到的数据、流场分布云图及结论可以为工程应用中非光滑表面结构设计提供支持，以降低工程设计的工作量和盲目性，同时可为进一步的研究提供理论支持。
作者：	庞岩
专业：	机械设计及理论
导师：	宋小文;胡树根;王耘
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文