水下自航行器外形优化及推进系统设计

发布时间：2017-09-25 09:38

  本文关键词：水下自航行器外形优化及推进系统设计

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【摘要】：水下自航行器(AUV),航行稳定性高、机动性强、隐蔽性好,在海洋探究和军事作战等领域应用广泛。水下自航行器内部空间较小,自身可携带能源有限,所以提高其能源利用率至关重要。为此进行AUV外形优化及推进系统设计,减小航行阻力并提高螺旋桨推进效率,能够有效提升AUV能源利用率。本文进行了水下自航行器外形优化及推进系统设计,主要内容如下:(1)对比分析几款经典AUV主体构型,进行水下自航行器原型机设计,包括主体首部与尾部回转体的剖面线形以及附体尾舵的选取和设计。(2)采用多学科优化设计软件ISIGHT,搭载NSGA-II遗传算法,对水下自航行器原型机进行多目标优化设计。包括AUV模型的参数化设计、优化算法对计算结果的分析与处理,分析对比优化前后原型机的水动力性能。优化后使得水下自航行器航行阻力最小,同时内部空间利用率较高。(3)依据MAU4-45螺旋桨设计图谱对水下自航行器螺旋桨进行了详细的图谱设计。以最佳效率螺旋桨为设计准则,对螺旋桨进行图谱初步设计以及终结设计,得到最适合本文设计的水下自航行器推力需求的螺旋桨主要几何参数。(4)对水下自航行器螺旋桨进行三维建模以及CFD数值模拟计算。采用多重参考系MRF模型仿真旋转流场,计算了标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型以及SST k-?湍流模型下的螺旋桨敞水性能,并对其进行对比研究;由计算结果分析可知,RNG k-ε湍流模型的总体预报效果最为稳定,与试验值之间误差最小。
【关键词】：水下自航行器 外形优化 推进系统设计 多目标优化 CFD
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941;U664.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• abstract7-15
• 1 绪论15-23
• 1.1 课题研究背景与意义15
• 1.2 水下自航行器的国内外研究现状15-19
• 1.3 水下自航行器外形优化及推进系统设计研究现状19-21
• 1.3.1 水下自航行器外形优化研究现状19-20
• 1.3.2 水下自航行器推进系统设计研究进展20-21
• 1.4 主要研究内容21-23
• 2 水下自航行器外形初步设计23-42
• 2.1 数值模拟理论基础23-29
• 2.1.1 有限体积法 (FVM)24
• 2.1.2 湍流控制方程24-26
• 2.1.3 数值计算湍流模型26-28
• 2.1.4 壁面影响与壁面函数28-29
• 2.2 数值模拟计算模型建立29-31
• 2.2.1 流域网格划分29-30
• 2.2.2 计算条件的设定30-31
• 2.2.3 计算结果验证31
• 2.3 主体外形方案选型31-36
• 2.3.1 几种常见回转体线型31-33
• 2.3.2 四种主体构型的水动力性能计算与分析33-35
• 2.3.3 方案选型35-36
• 2.4 尾舵设计与水动力学分析36-40
• 2.5 本章小结40-42
• 3 基于ISIGHT的水下自航行器外形优化42-54
• 3.1 ISIGHT简介42-43
• 3.2 多目标优化理论43-46
• 3.2.1 多目标优化理论概述43
• 3.2.2 遗传算法基本原理和步骤43-44
• 3.2.3 NSGA-II算法44-46
• 3.3 基于ISIGHT的AUV外形优化流程46-48
• 3.3.1 ISIGHT整体优化流程46-47
• 3.3.2 参数化建模模块47
• 3.3.3 AUV网格划分模块47-48
• 3.3.4 Fluent计算模块48
• 3.4 AUV外形优化设计48-51
• 3.4.1 AUV外形优化设计公式48
• 3.4.2 AUV外形优化结果48-51
• 3.5 优化前后水动力性能分析对比51-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 水下自航行器螺旋桨图谱设计54-62
• 4.1 螺旋桨图谱设计方法54-56
• 4.1.1 (?)螺旋桨设计图谱的建立54-56
• 4.2 螺旋桨图谱设计流程56-61
• 4.2.1 最佳效率设计原理56-57
• 4.2.2 最佳转速的确定57
• 4.2.3 空泡校核57-58
• 4.2.4 强度校核58-60
• 4.2.5 螺距修正60-61
• 4.3 本章总结61-62
• 5 螺旋桨水动力性能分析62-72
• 5.1 螺旋桨建模62-63
• 5.2 螺旋桨敞水性能分析63-69
• 5.2.1 网格划分以及边界条件设定63-65
• 5.2.2 MRF模型的分析与建立65
• 5.2.3 求解计算65-66
• 5.2.4 数值计算分析66-69
• 5.3 各类湍流模型的建立结果分析69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 总结72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-79
• 作者简介79

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本文编号：916741