隨著海洋資源的深入開(kāi)發(fā)與利用,載人潛器成為不可缺少的重要工具。載人潛器的用途廣泛,設(shè)計(jì)形式多樣,即使同一用途的載人潛器,其構(gòu)型也各有不同。在載人潛器的初步設(shè)計(jì)階段,需要對(duì)載人潛器的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算,預(yù)報(bào)載人潛器的有效功率,從而為載人潛器配置合適的動(dòng)力裝置提供依據(jù)。潛器的節(jié)能問(wèn)題尤為重要,對(duì)于初步設(shè)計(jì)的載人潛器,在滿足使用要求的前提下需要對(duì)其外形進(jìn)行阻力性能優(yōu)化,從而節(jié)省能耗。 為了能夠預(yù)報(bào)載人潛器的有效功率,首先對(duì)載人潛器外形進(jìn)行簡(jiǎn)化,略去次要附體并對(duì)主要附體的構(gòu)型用相似幾何體替代,然后用CFD方法對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到載人潛器模型的阻力系數(shù)。引入形狀簡(jiǎn)化因子,將阻力系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,從而得到形狀簡(jiǎn)化因子的數(shù)值。用CFD方法對(duì)簡(jiǎn)化的載人潛器實(shí)體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,將形狀簡(jiǎn)化因子應(yīng)用于載人潛器實(shí)體的阻力系數(shù),最終得到載人潛器的有效功率。 為了對(duì)載人潛器的外形進(jìn)行阻力性能優(yōu)化,‘需要對(duì)載人潛器的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究,得到有效的計(jì)算方法,并對(duì)載人潛器的阻力性能進(jìn)行分析,從而為載人潛器的外形優(yōu)化提供前提條件。為此,以載人潛器的主體和主要附體為研究對(duì)象,對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散,討論不同湍流模型以及入口湍流強(qiáng)度的不同設(shè)置對(duì)阻力計(jì)算結(jié)果的影響,確定對(duì)載人潛器實(shí)施型值優(yōu)化時(shí)的數(shù)值計(jì)算方法。 載人潛器構(gòu)型復(fù)雜,并且附體較多,在水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)多樣,因而有必要對(duì)載人潛器不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的水動(dòng)力性能做試驗(yàn)研究。為了在船模拖曳水池中完成載人潛器不同運(yùn)行姿態(tài)的阻力試驗(yàn),需要加工制作載人潛器的縮尺模型,并設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整方案。為了完成載人潛器模型不同艏向角和垂直上升及下潛航行時(shí)的阻力試驗(yàn),專門設(shè)計(jì)加工了一套可調(diào)艏向角及浸深的拖帶裝置。對(duì)不同艏向角和航速分別進(jìn)行了拖帶裝置攜帶和不攜帶潛器模型的阻力測(cè)量,從而得到了潛器正浮狀態(tài)不同艏向角航行時(shí)的總阻力系數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù)相等原則進(jìn)行潛器模型與實(shí)體的阻力換算,并加入換算補(bǔ)貼系數(shù)得到潛器實(shí)體的總阻力系數(shù),最終得出潛器實(shí)體不同艏向角航行時(shí)的阻力及有效功率。 考慮載人潛器主體和主要附體中電池艙的優(yōu)化問(wèn)題,將三維幾何體的阻力性能優(yōu)化轉(zhuǎn)化為二維幾何體的外形優(yōu)化。用多島遺傳算法對(duì)二維幾何體的阻力數(shù)值計(jì)算進(jìn)行一體化優(yōu)化,并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于三維幾何體的型值。經(jīng)過(guò)不同方案的探索,最終得出在滿足工程需要的前提下適于該載人潛器的優(yōu)化外形,優(yōu)化潛器的阻力比原型減少13%左右,單位體積載人潛器模型阻力的優(yōu)化收效大于20%。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：P754.3
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 論文的研究背景
        1.1.1 問(wèn)題的提出
        1.1.2 載人潛器的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r
        1.1.3 載人潛器的國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
        1.1.4 論文的研究方向
    1.2 潛器水動(dòng)力性能的研究方法及現(xiàn)狀
        1.2.1 船舶CFD技術(shù)
        1.2.2 水池EFD方法
        1.2.3 潛器水動(dòng)力性能的研究現(xiàn)狀
    1.3 關(guān)于潛器阻力性能的外形優(yōu)化
        1.3.1 一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)
        1.3.2 多島遺傳算法
        1.3.3 潛器外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    1.4 論文研究工作的內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
        1.4.1 論文的主要研究?jī)?nèi)容
        1.4.2 論文研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)
第2章 載人潛器阻力與有效功率的數(shù)值預(yù)報(bào)
    2.1 引言
    2.2 載人潛器模型的數(shù)值計(jì)算
        2.2.1 計(jì)算模型
        2.2.2 數(shù)值計(jì)算方法
        2.2.3 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格離散
        2.2.4 建立控制方程
        2.2.5 定解條件
        2.2.6 控制方程的求解
        2.2.7 計(jì)算結(jié)果
    2.3 有效功率的預(yù)報(bào)分析
    2.4 本章小結(jié)
第3章 載人潛器阻力的數(shù)值計(jì)算方法分析
    3.1 引言
    3.2 塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散
        3.2.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格
        3.2.2 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格離散
    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 自由來(lái)流湍流度
    3.5 采用不同湍流模型及入口湍流強(qiáng)度的阻力計(jì)算結(jié)果
    3.6 Wilcox k-ω湍流模型對(duì)入口湍流強(qiáng)度的敏感程度分析
    3.7 載人潛器縱向航行數(shù)值模擬結(jié)果
    3.8 臨界雷諾數(shù)下的數(shù)值模擬情況
    3.9 不同艏向角航行時(shí)潛器模型阻力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果
    3.10 本章小結(jié)
第4章 不同艏向角航行時(shí)載人潛器模型阻力試驗(yàn)
    4.1 引言
    4.2 試驗(yàn)設(shè)備
    4.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图斑\(yùn)動(dòng)方案的確定
    4.4 試驗(yàn)內(nèi)容
    4.5 試驗(yàn)結(jié)果
    4.6 試驗(yàn)結(jié)果分析
    4.7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
    4.8 潛器阻力與有效功率的試驗(yàn)預(yù)報(bào)
    4.9 本章小結(jié)
第5章 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
    5.1 引言
    5.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述
        5.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成三要素
        5.2.2 優(yōu)化問(wèn)題的分類
    5.3 全局優(yōu)化方法
        5.3.1 確定性方法
        5.3.2 隨機(jī)性方法
    5.4 遺傳算法
        5.4.1 遺傳算法的基本思想
        5.4.2 遺傳算法的操作技術(shù)
        5.4.3 遺傳算法的基本過(guò)程
        5.4.4 遺傳算法的特點(diǎn)
    5.5 多島遺傳算法
    5.6 本章小結(jié)
第6章 載人潛器的阻力性能優(yōu)化
    6.1 引言
    6.2 載人潛器的主體優(yōu)化方案1
        6.2.1 主體外形的表示方法
        6.2.2 數(shù)值計(jì)算
        6.2.3 一體化優(yōu)化
        6.2.4 主體的阻力優(yōu)化結(jié)果
    6.3 載人潛器的主體優(yōu)化方案2
        6.3.1 主體外形的表示方法
        6.3.2 數(shù)值計(jì)算
        6.3.3 一體化優(yōu)化
        6.3.4 主體優(yōu)化結(jié)果及分析
    6.4 載人潛器的主要附體優(yōu)化
    6.5 載人潛器阻力性能的優(yōu)化外形
    6.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果
致謝

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王小波;輕載HOV水動(dòng)力系數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2831711