UUV水下回收非线性流体动力干扰及导引过程操纵性研究

发布时间：2017-08-05 20:28

  本文关键词：UUV水下回收非线性流体动力干扰及导引过程操纵性研究

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【摘要】：随着UUV(Unmanned Underwater Vehicle)回收应用领域的不断拓展,相应的UUV回收技术也由水面回收方式不断向水下自主回收方式发展。UUV水下回收技术在民用方面可为UUV连续自主工作提供支持,在军用方面可为UUV隐蔽作业提供可能,更是未来构建“海洋空间站”不可或缺的支撑技术。本文针对潜艇水下回收UUV技术中涉及的流体动力干扰及动力学相关问题进行了较为深入的研究,主要研究成果及创新点归纳如下:(1)UUV与潜艇流体动力数值计算研究1)阐述了适用于UUV与潜艇数值求解的势流理论面元法与基于RANS方程的数学模型和数值方法;2)给出了适用于回转体型UUV流体动力求解的面元法和RANS方法求解策略,研究了Re数、攻角及侧滑角对UUV流体动力系数的影响;3)给出了适用于SUBOFF模型求解的面元法和RANS方法求解策略,研究了高Re数工况下,尺度效应对SUBOFF流场的影响。(2)潜艇绕流对UUV流体动力干扰研究1)给出了克服潜艇与UUV面元尺度差异的局部面元网格加密方法;2)给出了基于分块思想采用内部交界面拼接的计算域结构化网格划分方法,采用该方法可保证所有工况计算域网格质量在同一水平;3)基于RANS方法与面元法,研究了UUV相对潜艇位置不同时,潜艇绕流对UUV流体动力系数的干扰变化规律;4)研究了Re数、UUV姿态角等变量对潜艇与UUV间流场干扰的影响,得到了相应的变化规律。(3)UUV相对潜艇运动时的流体动力干扰研究1)结合动态层铺的动网格构建技术,给出了用于模拟UUV相对潜艇运动时的计算域结构化网格构建方法;2)采用RANS方法对UUV纵向平行于潜艇纵轴线运动进行了模拟,得到了UUV流体动力系数随潜艇相对位置的变化规律;3)采用RANS方法对UUV横向靠近或远离潜艇运动进行了模拟,得到了UUV流体动力系数随间距的变化规律。(4)潜艇对UUV附加质量干扰研究1)给出了考虑有界壁面干扰的UUV附加质量的面元法数学模型;2)研究了4种面元网格划分策略对附加质量求解精度的影响,提出了基于椭球体修正的UUV附加质量求解方法;3)采用面元法分别研究了考虑平壁面与圆柱壁面影响时的UUV附加质量随壁面间距的变化规律。(5)潜艇绕流对UUV操纵性干扰研究1)采用牛顿—欧拉法与双欧法建立了适用于UUV全姿态角求解的空间运动数学模型;2)推导了考虑流体动力干扰的UUV纵向运动扰动方程,研究了潜艇绕流对UUV纵向运动参数的干扰变化规律;3)推导了考虑流体动力干扰的UUV侧向—横滚运动扰动方程,研究了潜艇绕流对UUV侧向运动参数的干扰变化规律。(6)UUV水下回收导引弹道研究1)分析研究了古典导引法中的尾追法、固定提前角法、平行接近法与比例导引法应用于UUV回收导引的可行性,提出了适用于UUV回收导引的固定提前角法导引策略,及末端基于固定提前角法的组合导引策略。2)分析研究了采用固定提前角法导引回收时的初始阵位限定条件;3)通过弹道仿真验证了本文所提出的UUV回收导引策略的可行性。
【关键词】：UUV水下回收 流体动力干扰 附加质量 操纵性 导引方法
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 选题背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 UUV回收技术13-17
• 1.2.2 水下双体干扰17-20
• 1.2.3 UUV操纵性20-21
• 1.3 本文的主要内容与结构安排21-24
• 2 UUV与潜艇流体动力数值计算研究24-50
• 2.1 引言24
• 2.2 势流理论基础24-27
• 2.2.1 数学模型24-25
• 2.2.2 面元法25-27
• 2.3 CFD理论基础27-33
• 2.3.1 RANS控制方程28
• 2.3.2 湍流模型28-30
• 2.3.3 壁面函数30-32
• 2.3.4 数值方法32-33
• 2.4 UUV流体动力计算33-43
• 2.4.1 计算模型与网格划分33-36
• 2.4.2 面元法计算校验36-38
• 2.4.3 RANS方法计算校验38-39
• 2.4.4 攻角与侧滑角对UUV流体动力系数影响39-42
• 2.4.5 Re数对UUV流体动力系数变化规律影响42-43
• 2.5 SUBOFF流体动力计算43-49
• 2.5.1 计算模型与网格划分43-45
• 2.5.2 面元法计算校验45-46
• 2.5.3 RANS方法计算校验46-48
• 2.5.4 潜艇模型尺度的影响48-49
• 2.6 本章小结49-50
• 3 潜艇绕流对UUV流体动力干扰研究50-74
• 3.1 引言50
• 3.2 计算模型建立及网格划分50-54
• 3.2.1 计算工况记法50-51
• 3.2.2 面元法网格划分51-53
• 3.2.3 CFD网格划分53-54
• 3.3 相对位置不同时潜艇绕流对UUV流体动力干扰54-66
• 3.3.1 计算工况说明54
• 3.3.2 光体模型流体动力干扰计算结果与分析54-59
• 3.3.3 全附体模型流体动力干扰计算结果与分析59-64
• 3.3.4 光体与全附体模型计算结果对比分析64-66
• 3.4 RE数、姿态角不同时潜艇绕流对UUV流体动力干扰66-73
• 3.4.1 计算工况说明66-67
• 3.4.2 Re数不同时，潜艇绕流对UUV流体动力影响67-70
• 3.4.3 潜艇绕流对不同俯仰角UUV模型流体动力影响70-71
• 3.4.4 潜艇绕流对不同偏航角UUV模型流体动力影响71-73
• 3.5 本章小结73-74
• 4 UUV相对潜艇运动时的流体动力干扰研究74-98
• 4.1 引言74
• 4.2 动网格技术74-75
• 4.2.1 动网格计算模型74
• 4.2.2 动网格更新方法74-75
• 4.3 UUV平行于潜艇纵轴线运动仿真研究75-85
• 4.3.1 网格构建75-76
• 4.3.2 时间步长无关性分析76-78
• 4.3.3 相对速度不同对流体动力影响78-81
• 4.3.4 间距不同对流体动力影响81-85
• 4.4 UUV沿垂直于潜艇纵轴线运动仿真研究85-96
• 4.4.1 网格构建85-86
• 4.4.2 时间步长无关性分析86-88
• 4.4.3 相对速度不同对流体动力影响88-91
• 4.4.4 UUV横向靠近潜艇运动时其流体动力变化91-93
• 4.4.5 UUV横向远离潜艇运动时其流体动力变化93-96
• 4.5 本章小结96-98
• 5 潜艇对UUV附加质量干扰研究98-114
• 5.1 引言98
• 5.2 面元法求解附加质量98-101
• 5.2.1 附加质量导出98-100
• 5.2.2 附加质量基本性质100-101
• 5.2.3 数值方法101
• 5.3 无界流域中UUV附加质量计算101-106
• 5.3.1 单个球和椭球体附加质量计算101-104
• 5.3.2 UUV-1 附加质量计算104-106
• 5.4 有界流域对UUV附加质量的干扰106-112
• 5.4.1 平壁面对球体附加质量的干扰106-108
• 5.4.2 平壁面对UUV-1 附加质量的干扰108-110
• 5.4.3 圆柱壁面对UUV-1 附加质量的干扰110-112
• 5.5 本章小结112-114
• 6 潜艇绕流对UUV操纵性干扰研究114-142
• 6.1 引言114
• 6.2 UUV空间运动数学模型114-123
• 6.2.1 坐标系与转换矩阵114-116
• 6.2.2 运动学方程116-118
• 6.2.3 动力学方程118-120
• 6.2.4 受力分析120-123
• 6.3 流体动力干扰下UUV纵向操纵性分析123-130
• 6.3.1 定常水平直线运动123-124
• 6.3.2 纵向扰动方程导出124-127
• 6.3.3 传递函数与阶跃响应127-128
• 6.3.4 潜艇绕流对UUV纵向操纵性干扰128-130
• 6.4 流体动力干扰下UUV侧向-横滚操纵性分析130-140
• 6.4.1 定常运动131-132
• 6.4.2 侧向-横滚扰动方程导出132-135
• 6.4.3 潜艇绕流对UUV侧向-横滚操纵性干扰135-140
• 6.5 本章小结140-142
• 7 UUV水下回收导引弹道研究142-162
• 7.1 引言142
• 7.2 自导导引方法研究142-149
• 7.2.1 尾追法143-145
• 7.2.2 固定提前角法145-148
• 7.2.3 平行接近法148
• 7.2.4 比例导引法148-149
• 7.3 回收导引弹道规划与仿真研究149-160
• 7.3.1 导引策略分析149-151
• 7.3.2 初始阵位分析151-152
• 7.3.3 回收导引仿真的实现152-153
• 7.3.4 单一导引法回收弹道仿真153-157
• 7.3.5 组合导引法回收弹道仿真157-160
• 7.4 本章小结160-162
• 8 总结与展望162-164
• 8.1 全文总结162-163
• 8.2 展望163-164
• 参考文献164-172
• 附录172-178
• A双体流体动力干扰分布源程序清单172-174
• B有界壁面影响附加质量求解程序清单174-178
• 致谢178-180
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况180-182

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本文编号：626833