圆碟形水下直升机水动力分析与操纵性能研究

发布时间：2020-10-25 02:42

　　 随着人类文明的不断进步和陆地资源的逐渐枯竭,充分利用海洋资源成为人类维持自身生存和发展的关键。由于海洋环境复杂且相当恶劣,不适合人类直接进入进行探索,因此自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,简称AUV)作为一种十分有效的海洋探索与开发手段已经在科研和军事领域受到广泛关注。但复杂的海洋环境对AUV的安全性和灵活性提出了巨大的考验,因此开发一种具有较好稳定性和操纵性的新型AUV具有十分重要的意义。本文以新型圆碟形自主式水下机器人——水下直升机为研究对象,其特点是具备全周转向、定点悬停、精确着陆和自由起降四个功能。为保障水下直升机在海洋中工作的安全性和灵活性,准确且快速地预报其水动力性能和运动情况具有十分重要的现实意义。首先,在进行网格无关性分析的基础上运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)方法数值计算了不同航速下水下直升机水平面直航的摩擦阻力系数,并与国内外主流计算公式进行对比验证。数值计算水下直升机定常水动力性能,得到其水平面和垂直面直航阻力系数并与拖曳水池试验结果对比,验证了计算的可靠性。在此基础上，提出了不同长高比的新型水下直升机模型,数值计算其斜航水动力性能,为新一代大型水下直升机的设计提供参考依据。然后,基于STAR-CCM+重叠网格技术数值模拟水下直升机平面运动机构(Plane Motion Mechanism,简称PMM)试验,计算得到水下直升机做纯升沉运动、纯横荡运动、纯俯仰运动、纯艏摇运动和纯横摇运动的惯性类水动力系数、粘性类水动力系数和二阶水动力系数,与国内外高校研发的圆碟形潜水器进行对比分析,验证了本文PMM试验数值计算方法的合理性。并分析水下直升机在非均匀流场中做纯升沉运动和纯俯仰运动的水动力性能。最后,由本文数值计算结果判断水下直升机具有水平面和垂直面运动稳定性,与水池试验结果相吻合。数值计算得到水下直升机螺旋桨的性能,结合本文数值计算得到的水动力系数,建立六自由度运动仿真系统。对水下直升机直航运动、螺旋式下潜运动和海流干扰下的空间回字型下潜运动进行仿真并分析其操纵性能,为后续的研发设计和控制系统优化打下基础。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.941
【部分图文】：

１．２．１潜水器发展现状??潜水器主要可以分为以下三类：载人潜水器（ＨＯＶ）、有缆遥控水下机器人??（ＲＯＶ）和无缆水下机器人（ＡＵＶ）＇几类典型潜水器如图１．３（ａ）－（ｄ）所示。??Ｔ?＿＿＿＿＿Ｊｌｇｉｓ．??（ａ）?ＲＯＶ?：?“ＢＡＲＲＡＣＵＤＡ”?号?（ｂ）?ＲＯＶ：?“Ｓｅａ－Ｗｏｌｆ?５”?号??（ｃ）ＡＵＶ?：?“Ａｌｉｓｔｅｒ”?号?（ｄ）?ＨＯＶ?：?“ＳＵＲＶＥＹ”?号??图丨．３三类主要潜水器［８］??ＨＯＶ作为早期出现的潜水器是人类在潜艇微型化的基础上研制出来的，主??要目的是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可完成深海勘探、打捞和救生等水??下作业任务［９］。ＨＯＶ的排水量从几吨到几十吨，航速为一节至五节，下潜深度??浅的几百米深的可到达万米。ＨＯＶ具备搭载潜水员的耐压舱室和生命保障系统，??２??

州大学应用力学研究所研发出两种碟型自主水下机器人并取名为“ＬＵＮＡ”号和??“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”号［１８＿１９１，如图１．４和图１．５所示。“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”号水下机器人的??直径为１．９ｍ，重心位置可以向四个方向移动，并通过重心和浮力调节装置来控??制机器人的运动，在３分钟内可下潜８０ｍ。??■?ｍ?％??图１．４?“ＬＵＮＡ”号水下机器人丨１８】?图１．５?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”号水下机器人ｌｌ９］??３??

?哈尔滨工程大学设计并研制了一种具有圆碟形状的新型水下机器人［２（）］，如??图１．６所示，由电源系统、动力系统、控制系统、质心调节系统以及通信系统五??大部分组成。其推进系统由４个布置在内部的喷水泵组成，喷水泵间的功率配合??可实现水下机器人的任意平面运行，质心调节系统可控制水下机器人的姿态变化。??大连海事大学提出了?一种圆碟形水下滑翔机［２１］，如图１．７所示。该滑翔机可通过??其自身净浮力大小的改变实现上升和下潜运动，并且通过控制自身的重心位置来??实现对运动姿态的控制。??图１．６哈工大圆碟形新型水下机器人ｐｇ］?图Ｌ７大连海事大学碟形水下滑翔机［２｜１??１．２．２潜水器水动力系数获取方法??潜水器水动力系数极大地影响着其操纵性能。因此准确地计算潜水器的水动??力性能，得到具有真实意义的水动力系数显得格外重要。获取潜水器操纵性运动??水动力系数的方法主要有以下几种：近似计算、理论计算、模型试验和计算流体??力学（ＣＦＤ）数值模拟［２２］。??（１）
【参考文献】

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本文编号：2855335