水下滑翔机粘性水动力数值模拟方法研究

发布时间：2017-10-02 10:32

  本文关键词：水下滑翔机粘性水动力数值模拟方法研究

  更多相关文章： 水下滑翔机 非线性水动力 附加动量源 用户自定义函数 数值模拟

【摘要】：水下滑翔机是将浮标技术与水下潜航器结合的一种理想海洋环境监测与测量平台,越来越受到国际社会的关注,而水下任务的日渐多样性与复杂性也对其操纵性提出了更高的要求。水下滑翔机有大量的上浮下潜和平面转弯运动,这些运动形式的实现都要以准确的粘性水动力预报作为支持。粘性水动力系数获取的准确与否会直接影响水动力模型的精确性,而且粘性水动力系数数量众多,测定方法较为复杂,因此是操纵性预报的基础和难点。本文结合天津大学研制混合驱动型水下滑翔机及数值水池平台建设等项目需求,开展基于计算流体力学(CFD)的水下滑翔机粘性类水动力的数值模拟方法研究,解决各类水下航行器粘性类水动力系数的快速准确获取问题。为水下滑翔机水动力外形优化、运动模型的建立、操纵性预报和运动仿真等提供理论依据和指导。全文取得的研究成果如下:首先,在对粘性流场数值模拟理论进行简单介绍后,对水下滑翔机不同航速下的直航试验进行数值模拟,求取其阻力系数值,分析了不同雷诺数下阻力系数的变化规律。接下来建立水下滑翔机的非线性粘性类水动力模型,对水下滑翔机进行了水平和垂直运动面斜航试验及空间运动的数值模拟。用三次样条曲线拟合的方法求解了位置导数和相关非线性系数。根据建立的非线性水动力模型回归解算出相应非线性系数,分析了不同计算方法对计算结果的影响。然后通过附加动量源项法对水平面的旋臂水池试验进行数值模拟。利用已有大量实验数据的REMUS AUV模型,在推导载体坐标系下控制方程形式的基础上,将附加动量源项以用户自定义函数(UDF)的形式耦合到FLUENT控制方程中,分别采用standard k-w和SST k-w湍流模型,对REMUS AUV水平面的旋臂水池试验进行了数值模拟。并与旋转坐标系法(SRF)对旋臂水池试验数值模拟结果进行了对比,将得到的计算结果与实验结果进行对比,分析了数值方法的可行性和精度。结果表明,使用standard k-w湍流模型的附加动量源项法具有更高的工程预报精度。最后采用基于UDF的附加动量源项法对水下滑翔机的旋臂试验进行数值模拟,求解了水平和垂直运动平面的旋转导数;采用回归法解算出水下滑翔机在速度和角速度相互耦合运动情况下的若干非线性水动力系数。
【关键词】：水下滑翔机 非线性水动力 附加动量源 用户自定义函数 数值模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 字母注释表12-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 引言14-15
• 1.2 粘性水动力系数获取方法15-16
• 1.3 国内外研究现状16-18
• 1.3.1 国内研究现状17
• 1.3.2 国外研究现状17-18
• 1.4 论文主要内容18-20
• 第二章 基于FLUENT的数值计算理论基础20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 粘性流场数值模拟理论20-27
• 2.2.1 控制方程20-21
• 2.2.2 湍流模型21-24
• 2.2.3 湍流流动的近壁处理24-26
• 2.2.4 数值方法26-27
• 2.3 网格技术27-28
• 2.4 用户自定义函数（UDF）28-29
• 2.4.1 FLUENT数据类型28-29
• 2.4.2 预定义宏29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 水下滑翔机拖曳水池试验的数值模拟30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 计算模型建立30-34
• 3.2.1 计算对象30
• 3.2.2 坐标系的选择及水动力表达30-33
• 3.2.3 无因次化体系33-34
• 3.3 非线性粘性类水动力模型建立34-37
• 3.3.1 平面运动非线性粘性类水动力35-36
• 3.3.2 空间运动非线性粘性类水动力36-37
• 3.4 拖曳水池试验数值模拟37-44
• 3.4.1 计算流域及网格划分37-39
• 3.4.2 边界条件39
• 3.4.3 直航试验数值模拟结果39-40
• 3.4.4 斜航试验数值模拟结果40-43
• 3.4.5 空间运动数值模拟结果43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 旋转水动力计算方法验证45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 坐标系转换45-47
• 4.2.1 旋转坐标系（SRF）下的控制方程45-46
• 4.2.2 载体坐标系下的控制方程46-47
• 4.3 计算模型建立47-48
• 4.4 旋臂水池试验的数值模拟48-52
• 4.4.1 计算流域48-49
• 4.4.2 网格划分49-50
• 4.4.3 数值方法50
• 4.4.4 计算方法验证50-52
• 4.5 计算结果分析52-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第五章 水下滑翔机旋臂水池试验的数值模拟57-64
• 5.1 引言57
• 5.2 旋臂水池试验的数值模拟57-63
• 5.2.1 计算域建立及网格划分58-59
• 5.2.2 边界条件设置59
• 5.2.3 源项的处理59
• 5.2.4 旋转导数求解结果59-61
• 5.2.5 若干非线性水动力系数求解结果61-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-67
• 6.1 全文总结64-65
• 6.2 未来工作展望65-67
• 参考文献67-71
• 发表论文和参加科研情况说明71-72
• 致谢72-73

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本文编号：959150