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波浪滑翔器潜体水动力性能分析

严日华  
【摘要】:随着人们对海洋的深入探究,为了突破复杂多变的海洋环境和气象条件对人类在海洋开发方面的束缚、拓展探索海洋的广度和深度,一种利用海水波浪作为推进动力的水面无人机器人——波浪滑翔器应运而生。波浪滑翔器摆脱了动力能源与海洋环境的约束,能够大范围、全方位地对海洋环境进行长期探索,并且灵活性强,工作效率高,这使得波浪滑翔器会有十分广阔的前景。波浪滑翔器的动力主要来自于潜体的推力,因此本文对波浪滑翔器潜体的水动力性能进行分析,具体工作如下:首先,本文采用计算流体力学软件STAR-CCM+,以波浪滑翔器潜体为研究对象,基于RANS方程、选取SST k-?模型、利用重叠网格技术和DFBI六自由度运动模块,实现了串列水翼的被动转动,完成了对波浪滑翔器潜体部分三维串列翼的数值计算。在假设潜体部分做简谐运动的前提下,通过计算每片水翼的角速度、角加速度等参数,分析得到了潜体各个串列水翼的运动规律,发现第一片翼的转动始终比后面的五片翼要慢,每片水翼转动到最大限位角的时间不相同,但是在最大限位角处保持的时间几乎是一样的。其次,重点分析了翼数量、翼间距、最大限位角、转轴位置、运动幅值、运动周期、来流速度对推进性能的影响,通过对比不同工况下潜体的推进力大小,给出了潜体串列水翼的优化设计方案。并得到合推力随着波长的增加而减小;随着波高的增大而增大;随着来流速度的提升而减小。最后,对波浪滑翔机运动过程和受力情况进行详细分析,建立起了潜体部分的垂向响应与水面母船在波浪中垂向响应的代数关系。在此基础上,通过AQWA和STAR-CCM+进行迭代计算得到了波浪滑翔器在一级、二级、三级海况下的推进性能。为下一代波浪滑翔器的设计与海试提供了数据参考。


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