水下滑翔機(jī)粘性水動(dòng)力數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、水下滑翔機(jī)是將浮標(biāo)技術(shù)與水下潛航器結(jié)合的一種理想海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與測(cè)量平臺(tái)，越來越受到國際社會(huì)的關(guān)注，而水下任務(wù)的日漸多樣性與復(fù)雜性也對(duì)其操縱性提出了更高的要求。水下滑翔機(jī)有大量的上浮下潛和平面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)現(xiàn)都要以準(zhǔn)確的粘性水動(dòng)力預(yù)報(bào)作為支持。粘性水動(dòng)力系數(shù)獲取的準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響水動(dòng)力模型的精確性，而且粘性水動(dòng)力系數(shù)數(shù)量眾多，測(cè)定方法較為復(fù)雜，因此是操縱性預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)和難點(diǎn)。本文結(jié)合天津大學(xué)研制混合驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)及數(shù)值水池平

2、臺(tái)建設(shè)等項(xiàng)目需求，開展基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的水下滑翔機(jī)粘性類水動(dòng)力的數(shù)值模擬方法研究，解決各類水下航行器粘性類水動(dòng)力系數(shù)的快速準(zhǔn)確獲取問題。為水下滑翔機(jī)水動(dòng)力外形優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)模型的建立、操縱性預(yù)報(bào)和運(yùn)動(dòng)仿真等提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。全文取得的研究成果如下：
　　首先，在對(duì)粘性流場(chǎng)數(shù)值模擬理論進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹后，對(duì)水下滑翔機(jī)不同航速下的直航試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，求取其阻力系數(shù)值，分析了不同雷諾數(shù)下阻力系數(shù)的變化規(guī)律。
　　接下來建立水

3、下滑翔機(jī)的非線性粘性類水動(dòng)力模型，對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行了水平和垂直運(yùn)動(dòng)面斜航試驗(yàn)及空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。用三次樣條曲線擬合的方法求解了位置導(dǎo)數(shù)和相關(guān)非線性系數(shù)。根據(jù)建立的非線性水動(dòng)力模型回歸解算出相應(yīng)非線性系數(shù)，分析了不同計(jì)算方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。
　　然后通過附加動(dòng)量源項(xiàng)法對(duì)水平面的旋臂水池試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。利用已有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的REMUS AUV模型，在推導(dǎo)載體坐標(biāo)系下控制方程形式的基礎(chǔ)上，將附加動(dòng)量源項(xiàng)以用戶自定義函數(shù)（UDF）的

4、形式耦合到 FLUENT控制方程中，分別采用standard k-w和SST k-w湍流模型，對(duì)REMUS AUV水平面的旋臂水池試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。并與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法（SRF）對(duì)旋臂水池試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，將得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了數(shù)值方法的可行性和精度。結(jié)果表明，使用s tan dard k-w湍流模型的附加動(dòng)量源項(xiàng)法具有更高的工程預(yù)報(bào)精度。
　　最后采用基于UDF的附加動(dòng)量源項(xiàng)法對(duì)水下滑翔機(jī)的旋臂試驗(yàn)進(jìn)