隨著人類文明的不斷進步和陸地資源的逐漸枯竭,充分利用海洋資源成為人類維持自身生存和發(fā)展的關鍵。由于海洋環(huán)境復雜且相當惡劣,不適合人類直接進入進行探索,因此自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicles,簡稱AUV)作為一種十分有效的海洋探索與開發(fā)手段已經在科研和軍事領域受到廣泛關注。但復雜的海洋環(huán)境對AUV的安全性和靈活性提出了巨大的考驗,因此開發(fā)一種具有較好穩(wěn)定性和操縱性的新型AUV具有十分重要的意義。本文以新型圓碟形自主式水下機器人——水下直升機為研究對象,其特點是具備全周轉向、定點懸停、精確著陸和自由起降四個功能。為保障水下直升機在海洋中工作的安全性和靈活性,準確且快速地預報其水動力性能和運動情況具有十分重要的現(xiàn)實意義。首先,在進行網格無關性分析的基礎上運用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)方法數(shù)值計算了不同航速下水下直升機水平面直航的摩擦阻力系數(shù),并與國內外主流計算公式進行對比驗證。數(shù)值計算水下直升機定常水動力性能,得到其水平面和垂直面直航阻力系數(shù)并與拖曳水池試驗結果對比,驗證了計算的可靠性。在此基礎上，提出了不同長高比的新型水下直升機模型,數(shù)值計算其斜航水動力性能,為新一代大型水下直升機的設計提供參考依據。然后,基于STAR-CCM+重疊網格技術數(shù)值模擬水下直升機平面運動機構(Plane Motion Mechanism,簡稱PMM)試驗,計算得到水下直升機做純升沉運動、純橫蕩運動、純俯仰運動、純艏搖運動和純橫搖運動的慣性類水動力系數(shù)、粘性類水動力系數(shù)和二階水動力系數(shù),與國內外高校研發(fā)的圓碟形潛水器進行對比分析,驗證了本文PMM試驗數(shù)值計算方法的合理性。并分析水下直升機在非均勻流場中做純升沉運動和純俯仰運動的水動力性能。最后,由本文數(shù)值計算結果判斷水下直升機具有水平面和垂直面運動穩(wěn)定性,與水池試驗結果相吻合。數(shù)值計算得到水下直升機螺旋槳的性能,結合本文數(shù)值計算得到的水動力系數(shù),建立六自由度運動仿真系統(tǒng)。對水下直升機直航運動、螺旋式下潛運動和海流干擾下的空間回字型下潛運動進行仿真并分析其操縱性能,為后續(xù)的研發(fā)設計和控制系統(tǒng)優(yōu)化打下基礎。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：U674.941
【部分圖文】：

１．２．１潛水器發(fā)展現(xiàn)狀??潛水器主要可以分為以下三類：載人潛水器（ＨＯＶ）、有纜遙控水下機器人??（ＲＯＶ）和無纜水下機器人（ＡＵＶ）＇幾類典型潛水器如圖１．３（ａ）－（ｄ）所示。??Ｔ?＿＿＿＿＿Ｊｌｇｉｓ．??（ａ）?ＲＯＶ?：?“ＢＡＲＲＡＣＵＤＡ”?號?（ｂ）?ＲＯＶ：?“Ｓｅａ－Ｗｏｌｆ?５”?號??（ｃ）ＡＵＶ?：?“Ａｌｉｓｔｅｒ”?號?（ｄ）?ＨＯＶ?：?“ＳＵＲＶＥＹ”?號??圖丨．３三類主要潛水器［８］??ＨＯＶ作為早期出現(xiàn)的潛水器是人類在潛艇微型化的基礎上研制出來的，主??要目的是替代潛水員在深海中進行潛水作業(yè)，可完成深�？碧�、打撈和救生等水??下作業(yè)任務［９］。ＨＯＶ的排水量從幾噸到幾十噸，航速為一節(jié)至五節(jié)，下潛深度??淺的幾百米深的可到達萬米。ＨＯＶ具備搭載潛水員的耐壓艙室和生命保障系統(tǒng)，??２??

州大學應用力學研究所研發(fā)出兩種碟型自主水下機器人并取名為“ＬＵＮＡ”號和??“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”號［１８＿１９１，如圖１．４和圖１．５所示�！埃拢铮铮恚澹颍幔睿纭碧査聶C器人的??直徑為１．９ｍ，重心位置可以向四個方向移動，并通過重心和浮力調節(jié)裝置來控??制機器人的運動，在３分鐘內可下潛８０ｍ。??■?ｍ?％??圖１．４?“ＬＵＮＡ”號水下機器人丨１８】?圖１．５?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”號水下機器人ｌｌ９］??３??

?哈爾濱工程大學設計并研制了一種具有圓碟形狀的新型水下機器人［２（）］，如??圖１．６所示，由電源系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、質心調節(jié)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)五??大部分組成。其推進系統(tǒng)由４個布置在內部的噴水泵組成，噴水泵間的功率配合??可實現(xiàn)水下機器人的任意平面運行，質心調節(jié)系統(tǒng)可控制水下機器人的姿態(tài)變化。??大連海事大學提出了?一種圓碟形水下滑翔機［２１］，如圖１．７所示。該滑翔機可通過??其自身凈浮力大小的改變實現(xiàn)上升和下潛運動，并且通過控制自身的重心位置來??實現(xiàn)對運動姿態(tài)的控制。??圖１．６哈工大圓碟形新型水下機器人ｐｇ］?圖Ｌ７大連海事大學碟形水下滑翔機［２｜１??１．２．２潛水器水動力系數(shù)獲取方法??潛水器水動力系數(shù)極大地影響著其操縱性能。因此準確地計算潛水器的水動??力性能，得到具有真實意義的水動力系數(shù)顯得格外重要。獲取潛水器操縱性運動??水動力系數(shù)的方法主要有以下幾種：近似計算、理論計算、模型試驗和計算流體??力學（ＣＦＤ）數(shù)值模擬［２２］。??（１）
【參考文獻】

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1 郭朝先;王宏霞;;中國制造業(yè)發(fā)展與“中國制造2025”規(guī)劃[J];經濟研究參考;2015年31期

2 武建國;石凱;劉健;徐會希;王雨;李陽;徐春輝;;6000m AUV“潛龍一號”浮力調節(jié)系統(tǒng)開發(fā)及試驗研究[J];海洋技術學報;2014年05期

3 孫銘澤;王永生;張志宏;戴余良;;基于網格變形技術的全附體潛艇操縱性計算[J];武漢理工大學學報(交通科學與工程版);2013年02期

4 劉濤;王璇;王帥;王磊;;深海載人潛水器發(fā)展現(xiàn)狀及技術進展[J];中國造船;2012年03期

5 張振江;陳作鋼;;船舶CFD結構化網格自動生成技術的開發(fā)[J];上海交通大學學報;2012年02期

6 張赫;龐永杰;李曄;;潛水器水動力系數(shù)計算方法研究[J];武漢理工大學學報(交通科學與工程版);2011年01期

7 劉志華;熊鷹;韓寶玉;;潛艇流場數(shù)值計算網格與湍流模型選取[J];華中科技大學學報(自然科學版);2009年07期

8 王波;蘇玉民;秦再白;;微小型水下機器人操縱性能與運動仿真研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2009年13期

9 黃昆侖;龐永杰;蘇玉民;朱軍;;潛器線性水動力系數(shù)計算方法研究[J];船舶力學;2008年05期

10 郭海強;朱仁傳;繆國平;余建偉;;數(shù)值波浪水池中船舶水動力系數(shù)測試與分析技術[J];中國造船;2008年S1期

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1 王天;新型碟形水下機器人及其航姿預測控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工程大學;2013年

2 于憲釗;微小型水下航行器水動力性能分析及雙體干擾研究[D];哈爾濱工程大學;2012年

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1 姜勇;基于CFD的水下直升機水動力及運動穩(wěn)定性能的研究[D];浙江大學;2018年

2 朱義東;圓碟形水下滑翔機運動與坐底性能分析[D];大連海事大學;2017年

3 金奕星;螺旋槳滑流的轉/靜交界面數(shù)值模擬方法研究[D];南京航空航天大學;2015年

4 徐宏翔;基于CFD模擬方法的圓碟型浮標水動力分析[D];大連海事大學;2014年

5 孫曉芳;某智能潛水器操縱性能分析和運動仿真研究[D];哈爾濱工程大學;2014年

6 張超;圓碟形水下機器人的設計及運動控制[D];哈爾濱工程大學;2013年

7 張曉頻;多功能潛水器操縱性能與運動仿真研究[D];哈爾濱工程大學;2008年

8 常文田;垂直平面運動機構的分析與研究[D];哈爾濱工程大學;2005年

本文編號：2855335