载人潜器阻力性能的数值和试验预报及外形优化研究
发布时间：2020-10-01 16:43
随着海洋资源的深入开发与利用,载人潜器成为不可缺少的重要工具。载人潜器的用途广泛,设计形式多样,即使同一用途的载人潜器,其构型也各有不同。在载人潜器的初步设计阶段,需要对载人潜器的水动力性能进行计算,预报载人潜器的有效功率,从而为载人潜器配置合适的动力装置提供依据。潜器的节能问题尤为重要,对于初步设计的载人潜器,在满足使用要求的前提下需要对其外形进行阻力性能优化,从而节省能耗。 为了能够预报载人潜器的有效功率,首先对载人潜器外形进行简化,略去次要附体并对主要附体的构型用相似几何体替代,然后用CFD方法对简化模型进行数值计算,得到载人潜器模型的阻力系数。引入形状简化因子,将阻力系数的计算值与试验值进行比较,从而得到形状简化因子的数值。用CFD方法对简化的载人潜器实体进行数值计算,将形状简化因子应用于载人潜器实体的阻力系数,最终得到载人潜器的有效功率。 为了对载人潜器的外形进行阻力性能优化,‘需要对载人潜器的数值模拟方法进行研究,得到有效的计算方法,并对载人潜器的阻力性能进行分析,从而为载人潜器的外形优化提供前提条件。为此,以载人潜器的主体和主要附体为研究对象,对其流场进行结构化网格离散,讨论不同湍流模型以及入口湍流强度的不同设置对阻力计算结果的影响,确定对载人潜器实施型值优化时的数值计算方法。 载人潜器构型复杂,并且附体较多,在水下运动姿态多样,因而有必要对载人潜器不同运动姿态下的水动力性能做试验研究。为了在船模拖曳水池中完成载人潜器不同运行姿态的阻力试验,需要加工制作载人潜器的缩尺模型,并设计运动姿态调整方案。为了完成载人潜器模型不同艏向角和垂直上升及下潜航行时的阻力试验,专门设计加工了一套可调艏向角及浸深的拖带装置。对不同艏向角和航速分别进行了拖带装置携带和不携带潜器模型的阻力测量,从而得到了潜器正浮状态不同艏向角航行时的总阻力系数。根据雷诺数相等原则进行潜器模型与实体的阻力换算,并加入换算补贴系数得到潜器实体的总阻力系数,最终得出潜器实体不同艏向角航行时的阻力及有效功率。 考虑载人潜器主体和主要附体中电池舱的优化问题,将三维几何体的阻力性能优化转化为二维几何体的外形优化。用多岛遗传算法对二维几何体的阻力数值计算进行一体化优化,并将优化结果应用于三维几何体的型值。经过不同方案的探索,最终得出在满足工程需要的前提下适于该载人潜器的优化外形,优化潜器的阻力比原型减少13%左右,单位体积载人潜器模型阻力的优化收效大于20%。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：P754.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 论文的研究背景
1.1.1 问题的提出
1.1.2 载人潜器的国外发展状况
1.1.3 载人潜器的国内发展状况
1.1.4 论文的研究方向
1.2 潜器水动力性能的研究方法及现状
1.2.1 船舶CFD技术
1.2.2 水池EFD方法
1.2.3 潜器水动力性能的研究现状
1.3 关于潜器阻力性能的外形优化
1.3.1 一体化优化设计
1.3.2 多岛遗传算法
1.3.3 潜器外形的优化设计
1.4 论文研究工作的内容和创新点
1.4.1 论文的主要研究内容
1.4.2 论文研究工作的创新点
第2章 载人潜器阻力与有效功率的数值预报
2.1 引言
2.2 载人潜器模型的数值计算
2.2.1 计算模型
2.2.2 数值计算方法
2.2.3 计算区域的网格离散
2.2.4 建立控制方程
2.2.5 定解条件
2.2.6 控制方程的求解
2.2.7 计算结果
2.3 有效功率的预报分析
2.4 本章小结
第3章 载人潜器阻力的数值计算方法分析
3.1 引言
3.2 块结构化网格离散
3.2.1 结构网格
3.2.2 计算区域的网格离散
3.3 湍流模型
3.3.1 Realizable k-ε湍流模型
3.3.2 Wilcox k-ω湍流模型
3.3.3 SST k-ω湍流模型
3.4 自由来流湍流度
3.5 采用不同湍流模型及入口湍流强度的阻力计算结果
3.6 Wilcox k-ω湍流模型对入口湍流强度的敏感程度分析
3.7 载人潜器纵向航行数值模拟结果
3.8 临界雷诺数下的数值模拟情况
3.9 不同艏向角航行时潜器模型阻力的数值计算结果
3.10 本章小结
第4章 不同艏向角航行时载人潜器模型阻力试验
4.1 引言
4.2 试验设备
4.3 试验模型及运动方案的确定
4.4 试验内容
4.5 试验结果
4.6 试验结果分析
4.7 试验数据的处理
4.8 潜器阻力与有效功率的试验预报
4.9 本章小结
第5章 优化设计方法
5.1 引言
5.2 优化设计概述
5.2.1 优化设计数学模型的构成三要素
5.2.2 优化问题的分类
5.3 全局优化方法
5.3.1 确定性方法
5.3.2 随机性方法
5.4 遗传算法
5.4.1 遗传算法的基本思想
5.4.2 遗传算法的操作技术
5.4.3 遗传算法的基本过程
5.4.4 遗传算法的特点
5.5 多岛遗传算法
5.6 本章小结
第6章 载人潜器的阻力性能优化
6.1 引言
6.2 载人潜器的主体优化方案1
6.2.1 主体外形的表示方法
6.2.2 数值计算
6.2.3 一体化优化
6.2.4 主体的阻力优化结果
6.3 载人潜器的主体优化方案2
6.3.1 主体外形的表示方法
6.3.2 数值计算
6.3.3 一体化优化
6.3.4 主体优化结果及分析
6.4 载人潜器的主要附体优化
6.5 载人潜器阻力性能的优化外形
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
本文编号：2831711
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：P754.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 论文的研究背景
1.1.1 问题的提出
1.1.2 载人潜器的国外发展状况
1.1.3 载人潜器的国内发展状况
1.1.4 论文的研究方向
1.2 潜器水动力性能的研究方法及现状
1.2.1 船舶CFD技术
1.2.2 水池EFD方法
1.2.3 潜器水动力性能的研究现状
1.3 关于潜器阻力性能的外形优化
1.3.1 一体化优化设计
1.3.2 多岛遗传算法
1.3.3 潜器外形的优化设计
1.4 论文研究工作的内容和创新点
1.4.1 论文的主要研究内容
1.4.2 论文研究工作的创新点
第2章 载人潜器阻力与有效功率的数值预报
2.1 引言
2.2 载人潜器模型的数值计算
2.2.1 计算模型
2.2.2 数值计算方法
2.2.3 计算区域的网格离散
2.2.4 建立控制方程
2.2.5 定解条件
2.2.6 控制方程的求解
2.2.7 计算结果
2.3 有效功率的预报分析
2.4 本章小结
第3章 载人潜器阻力的数值计算方法分析
3.1 引言
3.2 块结构化网格离散
3.2.1 结构网格
3.2.2 计算区域的网格离散
3.3 湍流模型
3.3.1 Realizable k-ε湍流模型
3.3.2 Wilcox k-ω湍流模型
3.3.3 SST k-ω湍流模型
3.4 自由来流湍流度
3.5 采用不同湍流模型及入口湍流强度的阻力计算结果
3.6 Wilcox k-ω湍流模型对入口湍流强度的敏感程度分析
3.7 载人潜器纵向航行数值模拟结果
3.8 临界雷诺数下的数值模拟情况
3.9 不同艏向角航行时潜器模型阻力的数值计算结果
3.10 本章小结
第4章 不同艏向角航行时载人潜器模型阻力试验
4.1 引言
4.2 试验设备
4.3 试验模型及运动方案的确定
4.4 试验内容
4.5 试验结果
4.6 试验结果分析
4.7 试验数据的处理
4.8 潜器阻力与有效功率的试验预报
4.9 本章小结
第5章 优化设计方法
5.1 引言
5.2 优化设计概述
5.2.1 优化设计数学模型的构成三要素
5.2.2 优化问题的分类
5.3 全局优化方法
5.3.1 确定性方法
5.3.2 随机性方法
5.4 遗传算法
5.4.1 遗传算法的基本思想
5.4.2 遗传算法的操作技术
5.4.3 遗传算法的基本过程
5.4.4 遗传算法的特点
5.5 多岛遗传算法
5.6 本章小结
第6章 载人潜器的阻力性能优化
6.1 引言
6.2 载人潜器的主体优化方案1
6.2.1 主体外形的表示方法
6.2.2 数值计算
6.2.3 一体化优化
6.2.4 主体的阻力优化结果
6.3 载人潜器的主体优化方案2
6.3.1 主体外形的表示方法
6.3.2 数值计算
6.3.3 一体化优化
6.3.4 主体优化结果及分析
6.4 载人潜器的主要附体优化
6.5 载人潜器阻力性能的优化外形
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
【引证文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 王小波;轻载HOV水动力系数数值预报[D];哈尔滨工程大学;2013年
本文编号：2831711
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/2831711.html
