可着陆水下自航行器外形设计与优化

【摘要】： 水下自航行器是一种无人无缆水下自主航行器,可以进行多种海洋参数的测量,其在海洋环境监测领域和海洋资源开发领域的应用前景愈加广阔。但由于携带的能源有限,水下自航行器难以完成长期的海洋测量任务。由于具有水下着陆坐底功能,可着陆水下自航行器可以执行长时间、大航程的水下测量任务,获得长时序海洋监测数据。为了实现着陆坐底功能,航行器外形结构采用主体与多个附体相组合方式。与传统的流线形细长体水下自航行器相比,其外形与附体结构更为复杂。为了实现其功能要求,本文以降低阻力、并保持操纵性为目的,在参考现有水下自航行器的设计方案基础上,对航行器的外形进行了设计与优化。 本文的主要研究成果如下: 1.对可着陆水下自航行器外形与布局进行了设计。采用了细长体主舱+两个压载水舱的总体布局形式,主舱和压载水舱由挂接支架连接,并采用十字形全动舵布局,推进器布置于航行器尾部。 2.应用计算流体力学(CFD)的方法,对航行器主体线形进行了优化。分别研究了不同雷诺数、头尾线形、尾部长度、长径比对阻力的影响,得到结论如下:AUV的航行速度一般比较低,在其速度范围内阻力系数随速度变化很显著,所以仿真时需要特别强调其动力相似的条件;为了减小阻力,航行体头尾线形曲率变化应尽量小;尾部长度的变化也会对阻力产生影响,尾部长度越长,阻力越小;在满足航行体容积一定的条件下,在一定范围内,长径比越大,阻力越小。基于以上研究结论,本文对航行体主体进行了减小阻力的优化设计。 3.在整体布局优化中,采用了NACA流线线形设计了舵、桅杆和压载水舱挂接支架的截面,以减小阻力。同时,尽量减小四个舵的舵截面厚度。对于桅杆和挂接支架的线形,在考虑其功能的基础上,进行了优化。在航行器整体布局中,使挂接支架和GPS天线桅杆保持一定后掠角来降低阻力,并对CTD传感器的安装位置进行了优化分析。 CFD仿真结果证明,优化后的水下自航行器的阻力减小了37%,达到了优化目的。