水下自航行器水动力学特性数值计算与试验研究

【摘要】：小型AUV(Autonomous Underwater Vehicles)是一种无人无缆水下自主航行器,可以进行海洋水下多种参数的测量。基于一定的测量任务需要,天津大学和国家海洋技术中心联合研制了一种坐底式、主体可分离的小型AUV,称为水下自航行器。 本文通过适当选取坐标系,建立了水下自航行器的运动学和动力学模型,对航行器所受水动力进行了分析与计算,为航行器稳定性、操纵性分析与控制系统设计提供了依据。 使用计算流体动力学(CFD)的方法,基于一种典型外形,研究了AUV外形、阻力(系数)与航速的关系,指出:对于小型AUV,由于其航行速度一般都比较低(对应流场雷诺数较低),在AUV的速度范围内,水动力系数是随速度变化的。而鱼雷等高速航行体在其速度范围内可以认为水动力系数是常数。因而AUV设计中,即使可以查到外形鱼雷等航行体的资料,但由于很难满足动力学相似的条件而不能使用。 基于流线型航行体常采用的假设:将航行器阻力处理为各部件阻力之和,运用CFD方法对两轮设计的航行器进行水动力计算,对航行器外形参数进行了研究与设计改进,指出后续可以进一步改进外形设计以减小阻力的空间;通过分析计算结果,获得航行器主要水动力特征。 针对两轮设计外形,对航行器进行了两次水动力试验。基于第一次试验结果及阻力特征分析,对水动力试验安装、测量方法,没入水下深度等进行了分析与调整;通过对试验结果与数值计算结果的比较,调整了数值计算模型参数。在第一轮外形阻力特征基础上,对航行器总体结构与外形进行了改进设计,对第二轮设计样机进行了水动力试验,得到航行器主要水动力参数;并将试验结果与修正后的数值计算模型结果进行了比较,结果证明调整后的数值计算模型是可行的且具有合理的精度。