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1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 南徐学院 专 业 船舶与海洋工程 学生姓名 班级学号 船海2班 指导教师 二零一一年六月江苏科技大学本科毕业论文水下圆形横截面无人艇性能综合评估分析Comprehensive evaluation and analysis of the properties of the rounded autonomous underwater vehicle 目录目录6第1章 绪 论81.1引言81.2课题背景81.2.1国外发展现状81.2.2 UUV国内现状131.2.3 水下潜行器的技术挑战141.3 论文的研究目的与意义201.4 论文的主要内容2
2、0第2章 水下圆形横截面无人艇模型设定222.1 引言222.2.1 船体阻力222.2.2实际水下无人艇例子232.3 主尺度232.4 本章小结24第3章 Gambit建模和Fluent软件计算253.1 Fluent软件介绍253.2 Gambit软件建模263.2.1 建立模型263.2.4 定义边界303.3利用FLUENT求解器求解303.3.1 FLUENT求解器设置303.3.2 计算结果323.4 本章小结34第4章综合优化算法的构造与选择354.1引言354.2遗传算法354.2.1遗传算法基本原理354.2.2 遗传算法的特点354.2.3遗传算法计算流程364.2.4
3、遗传算法的应用现状364.3本章小结38第5章无人艇的综合优化数学模型395.1引言395.2水下无人艇流体动力学性能优化数学模型395.2.1流体动力学性能优化设计变量395.2.2流体动力学性能优化目标函数395.2.3流体动力学性能优化约束条件395.3 本章小结40第6章 无人艇的综合性能评估分析416.1引言416.2 综合性能评估模型416.2.1 综合评估分析变量416.2.2 建立权数集426.2.3性能评估计算436.3 本章小结43结论44致谢45参考文献46第1章 绪 论1.1引言1.2课题背景无人水下潜行器UUV（underwater unmanned vehicle）
4、是可移动水下探测和水下作业设备的统称。军事用途的UUV可以作为潜艇自卫和进攻的手段。由潜艇投放的UUV可进行水下监视、探测敌水雷场、跟踪和消灭敌潜艇；UUV还可作为潜艇远距离航行时的通信中续站，增加潜艇的生存能力；另外，UUV可作为诱饵将敌潜艇诱至埋伏区，然后协同围歼之。作为反水雷区绘制雷区图以引导己方舰艇安全通过雷区，UUV可为己方雷区提供巡航保护，防止被敌方破坏；许多国家的猎雷舰艇已安装的由ROV与炸药相结合组成的猎雷具是灭雷的有效手段。 UUV的民用范围也很广泛，是人类开发海洋不可或缺的重要工具，其主要任务是进行深海研究和开发，进行海洋生物、物理、化学和地质考察活动、海底资源勘查采集样品
5、、铺设安装水下管道、检测和排除水下仪器设备故障等。1.2.1国外发展现状UUV的最初研究的是载人水下潜行器（ROV），最近20年的研究重点是发展自主式水下潜行器（AUV）。ROV具有一个大脑（人类操作员）连接着一个长的脐带和液压源的特点，而AUV则需要自己带有脑的动力源和大脑。直到80年代末，随着各种技术的突飞猛进，自主式水下航行体（AUV）得到了大力发展，在水下作战和作业时更加灵活。与此同时，潜艇被越来越多地应用于近海海域联合作战，对于价格昂贵的常规潜艇及核潜艇来说：即使是在水深100m以上的近海活动，很容易被敌方反潜兵力发现和攻击。海军又需要隐形的无人驾驶系统到传统的海上力量无法到达的地方
6、收集情报和攻击目标。当时军事上需要考虑使用无人驾驶系统，以提高质量和降低费用。在这种情况下，无人水下潜行器便脱颖而出。迄今，世界上共有10多个国家开发了几十种不同类型的UUV，已有近千艘UUV先后应用于商业和军事领域。美国高级研究计划局提出将组建世界第一只水下无人舰队，并计划发展便携式和巨型等级别的UUV，先后推出了“蔓塔”(Manta)、近程远程水雷侦察系(NMRS/LMRS)、海底滑行者”、REMUS“海马”、“海神之子”等多个型号的UUV。图1-1 美海军反潜除雷UUV目前，美海军UUV发展已显现出“无人”、“模块化”和“智能化”三大亮点，也说明新的无人机设计理念和制造技术一起移植到UU
7、V开发上取得了成效。 水下航行器信息快速性使它成为美海军发展海洋信息战的一个重点环节其，所以美军不断加强水下情报、侦察、监视系统的建设，不惜耗巨资构建“互联、互通、互操作”的水下网络。那种无人水下潜航器已经装载在“布法罗”号核潜艇号发挥重要的作用。这种“海底侦察兵”使用电池驱动，配备多种传感器，能够测量不同水深处的盐度和温度，并可以据此计算出不同水深处的声音传播速度。图 1-2 “海底侦察兵”美海军还在无人水下潜航器的通信技术中学了澳大利亚。在2001年的美澳海军进行的一次联合演习中，澳海军在水下的潜艇能直接与30公里外的指挥舰通信令美海军十分惊讶。美海军随即买了6套这个秘密武器“声学水下-水
8、声信息链”系统。之后，美海军又与澳方将这种水下通信技术进一步发展应用。英国政府出资研制的AUV，其首要技术目标是开展极地冰下研究和搜集近海海洋学信息。该AUV的主体采用鱼雷壳体改进而成，全长6.5m，直径533mm，稳定鳍直径900mm，重量1315kg，航程大于300km。能源采用耐高温钠硫电池，电池组向48V总线上提供37kWh的有效电能，无刷直流推进电机靠48V总线供电。控制舱内装有精确测量航向与航速的导航系统，能修正潮汐与海流引起的误码率差。尾舱装备有通信电子设备、卫星定位信标、雷达遥控器与应答器等。尾端的推进电机安装在耐压壳上，直接与推进器连接。法国是无人潜航器技术水平较高的国家之一
9、，世界第一艘无人潜航器就诞生在法国。法国20世纪70年代开发的用于反水雷的遥控式无人潜航器系统受到许多国家海军的青睐，总共销售了近300套。近年来，法国加大了无人潜航器技术的研制力度，一些企业推出了许多性能先进的产品。如ECA公司在已有技术的基础上，正在探讨一种全新的反水雷概念。新型无人潜航器能够携带各种传感器或其他负载，由母舰通过脐带电缆提供动力或利用锂电池提供能源，可执行下列四项主要任务：1.利用前视远程探测和分类声呐进行远程探测；2.利用侧向扫描声呐和合成孔径声呐进行海床勘察；3.利用重定位和分类声呐及平面/倾斜视频相机进行分类和识别；4.利用120kg的标准北约水雷处理负载或ECA公司
10、的RCEA遥控定形装药弹药执行灭雷任务未来随着技术的发展，这种新型无人潜航器的性能会得到更大的改进，并可以执行更多的军事任务。如采用先进的智能软件以及高性能电池或燃料电池，其续航力将得到进一步增大，将能够在水下3000m进行自主执行监视和绘图等任务。 德国不来梅大学研制出一种名为“深海爬行器”（Deep Sea Crawler）的深水探测装备，它可以在6000m深的海底自主工作，无需对其实时监控。与普通无人潜航器不同的是，它可以借助履带在海底行进，并利用携带的网络摄象机通过光纤电缆与计算机相连，所摄图象可传输至专用网页。图 1-3 Deep Sea Crawler瑞典从2000年开始研制一种型
11、号为AUV 62F的多用途无人潜航器，用于试验新的传感器和通信技术，并在2003年底成功装备潜艇进行了试验，验证了潜艇与无人潜航器之间的光纤电缆连接，将从潜艇接收的数据通过无人潜航器上的通信天线在水下向其他平台进行了传输。今后将进一步进行潜艇回收和能源的研究，计划用燃料电池替换目前使用的锂离子电池，续航力将从目前的一天提高到一个星期。在亚太地区，日本、新加坡、澳大利亚在水下无人艇研发领域处于领先地位。日本近10年里在深海开发研究方面发展极为迅速，现在在某些方面已经逐渐超过美国成为这一领域的佼佼者。曾在1987年研制了世界上最先进的载人潜行shinkai6500，是目前世界上下潜最深的载人潜器，
12、已多次完成深海调查任务；此后又在90年代生产出深潜ROV海沟号(KAIKO)，之后成功对马里亚那海沟(10911m）进行深海调查。图 1-4 shinkai6500最近，该中心又研制了一种半自主水下机器人UROV7000，用于与载人潜器Shinkai6500进行联合作业，为了提高其作业系统的作业能力和作业范围。UROV7000的作业深度700m，载体的长2.8m，宽1.8m，高2m。动力采用锂离子电池，一次作业2h，由4个推进器实现水下运动，当作业完成后，将剩余的压载抛掉，并切断通信光缆，进行上浮回收。图1-5 UROV7000日本的UUV技术在民用方面主要用于地震预报和海洋开发，参与部门和机
13、构包括日本科学技术中心（JAMSTEC）、国际贸易工业部、运输部、建设部、机器人技术协会、日本深海技术协会等。耗资6千万美元建造的Kaiko Rox现在已经能下潜到世界上最深的海底。1.2.2 UUV国内现状我国的UUV研究相对于国外起步较晚，在UUV方面做了大量工作，也取得了一定成果，比如说大洋科学考察队在2011年首次使用由我国自主研发的3500m无人缆控潜水器进行了2000m水深海底调查作业，成功采集了海底多金属硫化物和生物样品，并同步拍摄了高清海底照片和全程作业视频。在中国大洋矿产资源与俄罗斯科学家合作研制开发的CR-01型/CR-02型（6000m）无人无缆水下机器人，能适应深海底平
14、坦地形的多金属结核矿区工作环境，其探测内容只限于声学、光学和水文测量。CR-01机器人于1997年在太平洋中国矿区完成了各项海底试验调查任务，并取得大量数据和资料。这表明中国已拥有这些高新技术的能力，并即将进入洋底多金属结核资源探测使用阶段，也为我国21世纪进军深海大洋，开发海洋资源提供了强大有力的技术手段。图 1-6国产机器人“CR-01”图 1-7 CR-02为CR-01型6000米机器人改良型哈尔滨工程大学为中心，与702所、709所、华中理工大学等单位合作，研制出“智水I”等军用水下机器人，这标志着我过研制的智能水下潜行器在智能控制技术已经接近世界先进水平。近两年来，由天津大学机械工程
15、学院主持、中国海洋技术中心参加的国家科研项目“温差能驱动的海洋监测平台关键技术研究”，近日通过专家鉴定。它是利用系统浮力变化和可更换的翼板，实现垂直剖面运动和水下滑翔运动。其主要特点是利用海水表面与水流之间一定深度的温度差所产生的温差能量作业驱动能源。与电能驱动的水下监测平台相比，温差能驱动的水下监测平台具有噪声小、续航时间长、成本低等优点。专家对此项研究成果给予高度评价，关键技术指标达到国家先进水平，可应用于海洋动力环境监测、海洋赤潮监测、海洋资源监测，并可用于构建立体监测网络系统。1.2.3 水下潜行器的技术挑战（1）耐压壳及其材料技术水下潜行器要承受巨大压力，又要搭载足够的仪器设备，因而
16、需要其有足够浮力的耐压壳体。可使用正在研发的高强度固体浮力材料以满足水下潜行器的耐压性、结构稳定性以及浮性。目前很多国家都在研究水下潜航器的耐压壳。只有耐压壳和载体结构有足够的强度特性才能保证水下潜行器的作业深度，保证所携带的电子设备和传感器的正常工作。设计中应在保证其结构强度的基础上，尽可能地减轻耐压结构的重量，增强有效载荷。用在军事上，则可以增加作战半径，提高机动性和战斗力。水下机器人的工作环境对其材料提出了较高的要求，即重量轻、密度小、单位强度高及单位刚度大。目前列出了一些水下机器人的耐压壳形状和材料。表2 典型水下机器人耐压壳的形状和材料潜水器名称潜深（m）耐压壳形状壳体材料“水下自动
17、人”60椭圆形玻璃钢胶合板PC-14360锥柱结合A516级70钢Sp-350400椭圆形锻造低碳钢“海狸”号600双球圆柱HY-100深海漫游者1000单球聚丙烯塑料DSRV-21500三球HY-140钢潜水调查船2000球形NS90钢“阿尔文”号3600球形钛合金“阿鲁明纳”号4500圆柱形铝合金7079-T6“阿基米德”号10800球形镍-铬-钼锻钢钢材的使用比较广泛。因为钢材的比强度比较高，而且加工制造工艺也很成熟。国际上通常认为美国的系列高强度钢是用于耐压壳的代表性钢种。低强度钢易加工，有良好的铸造和结合性，具有较好的抗疲劳性能。一般用这类钢制造浅深度的水下机器人的壳体，或非耐压部件
18、。用高强度钢时，要注意焊接处的兼容性、内部缺陷和应力集中。钛合金的最大优点是重量轻、强度高、耐化学腐蚀、表面易产生坚固的钝态氧化膜。过去人们担心钛合金在大的拉应力下会发生应力腐蚀，其实水下机器人耐压壳极大部分是处于压应力状态，如果设计得当，可使其拉应力减少到允许的程度。玻璃钢抗腐蚀性好，质量轻，成型方便，建造快，修理方便。但它抗拉强度和冲击韧性极低，且无屈服特点，影响实际使用。随着技术的发展，陶瓷基材料对于6000m深度的水下机器人是一种理想的材料，它可以大大减轻大深度机器人的重量和体积。增强塑料已广泛的用于建造潜水器的耐压壳体，应用在各种深度航行的潜水器的非耐压壳。（2）控制技术水下潜行器的
19、低速控制装置包括五个基本部分，即控制水下航行平衡和攻角的可变压载系统、六自由度定位的垂直和横向推进器、为高速航行提供升力的艉控制面和控制前进、后退运动的轴向推进器。目前已对AUV的低速控制进行了成功模拟，并将非线性自适应滑动方式控制理论应用于水下潜行器上。试验证明，滑动方式控制可以有效地进行精确跟踪和控制。 （3）能源技术水下潜行器的能源技术是限制AUV作业的主要因素之一，传统的动力系统多为铅酸电池、锌电池以及可充电的锂离子电池。近年来 ，随着UUV在军事领域的快速发展和应用，对水下续航力提出了更高的要求。银氧化物-锌电池是现有商用电池中能量密度最高的一种，它也是美国海军大量使用的一种水下航行
20、体动力电池。不过，银氧化物-锌充电电池的缺点在于：充电时间长，使用寿命短，且在低温下性能差。美国海军水下武器中心达尔根分部正在开发的充电式锂钴电池的能量密度和使用寿命预计比银锌-氧化物电池都有所提高。此外，锂电池的运行效率在低温（零下2摄氏度）下是银锌氧化物电池的四倍。综上所述 ，由于传统的蓄电池动力模式具有能量密度低和重量大 ，再充电时间长，难以满足日益增大的水下续航力以及结构紧凑的要求。目前，可充电的锂电池较传统的铅酸电池能量密度高，可反复使用 ，得到广泛应用。但锂电池存在价格高，充电时间长，存在电池堆内部短路或放电过程中热积累引起热失控产生爆炸等潜在风险 ，且难以适应大型、重型UUV的动
21、力要求。目前锂电池也只能作为一种过渡产品。因此各国都把研究重点投向能量密度更高，适用于大续航力的燃料电池、热气机等动力系统上。特别是近10年来，随着热气机和燃料电池技术在常规潜艇得到成功应用。也为其在UUV上的应用提供了明确的方向。可以预见，高能量密度的燃料电池和小型紧凑型热气机是未来UUV动力系统的主要发展方向。(4)导航系统由于受到尺寸、重量以及电源使用的限制，要在水下无人航行器上实现非常精确的导航系统是相当困难的。UUV执行如隐蔽作业、高可靠性、恶劣海底环境下的作业等情况下，就使得UUV的导航变得更加复杂了。UUV导航系统的传感器数据的综合和导航传感器技术的进展是其导航最重要的两个领域。
22、 UUV导航系统仍面临的一些问题：由于传感器固有的误差，惯性导航系统不能满足所有水下无人航行器的导航要求；隐身、功率及尺寸等要求使速度声纳受到限制；虽然全球定位系统接收机可提供理想的修正装置，但需要航行器浮出水面定位，隐蔽性差。针对这些问题，目前各研究机构及制造商都在努力开发新的传感器。在惯性导航系统的制造商们追求先进的陀螺及加速仪技术的同时，速度声纳的生产厂商努力研制综合多普勒速度声纳及相关速度记录仪。除上述几个方面外，UUV的关键技术还涉及传感器技术、图像处理、视频图像的水声传输、位置偏差的修正方法等。通过开发更精确的速度传感器可延长大地定位间隔的时间，从而增加UUV在作业场所的时间，并提
23、高隐蔽性。新型的换能器技术和计算机技术将为目标探测、避障和目标识别提供高分辨率的图像。未来UUV导航将更独立，尽少依赖母船及水上无线电导航系统，其自身携带的自主导航系统将更智能。智能导航系统将可以根据不同水域的环境和海地地形自适应选择最合适的组合导航方式，以完成航行体自身和所探测目标的精确定位。（5）回收技术在深水区的水下潜行器的回收是十分困难的，现今唯一可行的方案是进行50-100m的的回收。从使用角度来看，这个问题的解决将大大减少人身及设备的危险。目前水下潜行器的回收方式主要有水面起吊、水下对接、水下驮带、鱼雷管回收4种方式。前2种需要人工参与回收，属于传统回收方式；后2种完全自动化，属于
24、自主自动化。水下潜行器的回收过程中会受到回收平台的干扰作用，由于它与回收平台的几何差异，干扰力对水下潜行器的影响较大，并且干扰力的大小与航行器的运动流畅边界的形状、自身的运动姿势、相对于回收平台的方位和距离都密切相关；另外考虑到复杂海洋环境的影响，AUV运动的流场中一般存在波流和还留，其对水下潜行器的干扰是呈非线性的L.Landweber基于势流理论对个水下运动物体之间的干扰力进行了大量计算研究，应用了边界元法、奇点分布法等经典理论，并在附加质量的计算中修正了Taylor公式，文献应用 N-S方程对AUV回收过程中的流体动力进行了仿真计算，文献基于面元法对AYV受发射平台运动流场的干扰力及附加
25、质量进行了计算，国内哈尔滨工程大学等针对扁平型AUV近壁面的受力干扰进行了相关试验研究，取得了一定成绩。对于波浪、海流干扰的处理一般归入AUV操纵与控制予以解决。但总体来看，国内关于这类力学干扰问题无论是理论研究还是试验研究都与国外存在很大差距，需要进一步加大科研力量的投入。鱼雷型AUV在回收过程中，需要在水下完成微速移动、零速悬停运动，此时AUV的鳍舵功能失效，靠动力定位系统（即多个槽道推进器）控制，这时其攻角将会在-180180范围内变化，大攻角下绕细长体的流动是一种十分复杂的分离流动，至今尚未建立起从纯理论上来解决这一运动问题的方法，主要是依靠试验和以试验为基础的半经验理论，常规的针对A
26、UV的数学模型一般只适用于AUV小攻角状态的运动，例如20世纪70年代美国海军舰船发展中心（NSRDC）发表的潜艇运动仿真标准方程，对度运动数学模型，对AUV在微速运动下的操纵性进行了仿真研究。船型AYV本身采用多推进器（包括主推、辅推）操纵定位，操纵性能比鱼雷型AUV优越，解决此类问题不难。通常在处理波浪、海流干扰时将两者分开，分别建立相应的海流和波浪数学模型并加入AUV自由度空间运动方程，计算其对AUV运动性能的影响，由于波浪影响较大，其相关处理方法的研究较多，如阶波浪力双天赋stf切片理论和frank源分布法、计算2阶平均波浪力的newman细长体方法和3D修正处理方法L2等等；还有一种
27、方法就是AUV迎海流方向回收以弱化海流影响以及AUV深水区回收以避免波浪的影响。常见的AUV导航定位方法有水声导航、惯性导航、卫星导航电磁导航、光学导航、视觉导航和组合式导航等等. 其中水声导航、惯性导航和卫星导航的定位精度不高，只适用于远程导航定位。而在AUV回收过程中最关键的是近距离导航定位，必须要满足很高的定位精度，否则无法保证成功完成回收作业。目前近距离导航定位可采用电磁导航、光学导航、视觉导航和组合式导航等方式，这些方式因所用传感器不同而具有各自的特点心“，其相同点是导航距离一般小于30m，导航精度都能达到厘米级。不同点是电磁导航传感器容易受到AUV本身的外磁场干扰，必须避免在变磁场
28、区域实施回收作业；光学导航传感器会受到海水背景光、浑浊度、折射、反射等客观因素的影响，需要采取一定的措施，并在较为清澈的海水区实施回收作业；视觉导航传送器对目标分辨率较高，同时会限制AUV的航速。由于单一的传感器会受到限制，在实际工程中，往往采取2种或者多种回收条件的限制。AUV的回收方式是由其自身用途和工作环境决定的，传统的回收方法已很难满足新的应用要求，水下自主回收技术正是这一发展方向的科学产物，如上述潜艇驮带回方式，其含义是摆脱传统的第三辅助装置，利用水下平台独立完成发射和回收作业。(6)UUV协同测试技术多UUV协作系统具有空间分布、功能分布、时间分布的特点，能够扩展单体UUV感知范围
29、。多UUV可以在无人值守的情况下自主进行海洋调查工作，通过搭载不同的传感器，研究海洋各区域的温度、盐度、生物分布等参数随时间、空间的变化规律，对海洋进行全面立体连续的调查，探测处于复杂海底区域的矿物资源，通过多台UUV之间的协作能够扩宽调查区域，缩短调查周期。UUV协同探测很好的解决了单UUV航程短航速慢的问题，它可以在相当大的海区执行探测搜索任务。UUV协同探测已经在一些科学实验中取得了作成功 ，使人们发现了UUV的巨大潜力。未来UUV协作系统更将发挥巨大的作用。1.2.4 水下潜行器未来发展趋势水下潜行器正处于大力发展阶段，它的发展趋势主要以下几个方面：(1)向深海发展UUV是海上进行远距
30、离探测与攻击为目的的，且水深6000m以下海洋面积占海洋总面积的97%，巨大的海洋资源等待着我们来开发，所以许多国家把发展6000m水深技术作为一个目标。(2)导航通讯技术一体化水下导航和通信制约着水下自主航行器实现UUV向深海远程航行发展。导航方式多变，如惯性导航系统、卫星导航系统和无线电导航系统等。各个导航系统都有着不同或相同的优缺点，适用于不同的应用场合。综合利用传感器信息的多源信息融合势必成为未来的导航发展技术。(3)隐蔽性对于军用UUV，必须保证能长时间水下潜航，有良好的隐身性能。(4)小型化小型化技术下的水下潜行器因为其体积小、阻力低、机动灵活、隐身性能好、突击能力强、成本低、可批
31、量生产、搭载方便的优点，微小型水下潜行器非常适合发展成一种无人化智能化的水下作业系统，在海底如此复杂的地形环境下，它的机动性和智能程度决定了任务的顺利与否。(5)智能化UUV可自主智能控制，有很高的自主能力、记忆和学习能力，只需要给它下达与战术有关的任务，都能由水下机器人主动完成，并用导航技术精确定位，将大大提高UUV执行任务的效率。机动性和多任务相结合，其能在水下大范围机动航行时完成作业任务，同时搭载不同任务模块，担负多种任务的AUV将大大提高自身的效率。(6)多UUV协同技术多UUV协同可扩宽调查区域，缩短调查周期，可以执行探测搜索任务，很好的解决了单UUV航程短航速慢的问题。随着通信技术
32、的发展和完善，UUV协同探测还将实现对快速运动目标的搜索、定位与跟踪，执行敌我识别、目标指示及战斗损伤评估任务等有人平台难以完成的任务。1.3 论文的研究目的与意义目前在我国研究水下无人艇具有十分重大的意义：第一：现代武器系统正朝着智能化、无人化等方面结构设计，无人艇正顺应这个潮流，满足我国不同军事战术的需要。水下无人艇因其隐蔽性以及智能化等特点，西方国家十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面应用。第二：无人艇作为新概念武器，相比一般的舰艇，有费用低、应用广泛等特点，且能与其他舰艇配合作战。因此我国的无人艇的研究已经发展到了刻不容缓的程度。第三：研制和开发水下无人艇也是我国维护国家统一的
33、需要。在国家统一之前，台海战争爆发的可能性始终存在。水下无人艇将有利于部队取得第一手信息、并在战斗中取得先机。第四：水下无人艇成本低、风险小，可大量装备海军，可低成本得提升我国海军的作战能力。水下无人艇还可以应用到深海研究和开发，进行海洋生物、物理、化学和地质考察活动、海底资源勘查采集样品、铺设安装水下管道、检测和排除水下仪器设备故障等。1.4 论文的主要内容本课题中，采用一类典型中水下圆形横截面无人艇作为研究船型，此船型的船舶流体动力学和结构特性的综合优化、性能综合评估分析为本课题所要研究的对象：(1)针对水下圆形横截面无人艇的设计特点及性能要求等进行分析，开展无人艇初步设计，确定主尺度、主
34、要参数等；(2) 在此基础上，利用Gambit软件和Fluent软件完成流体性能的初步计算分析；(3)建立一类典型中水下圆形横截面无人艇流体动力学和结构特性的综合优化的数学模型，包括优化设计变量、目标函数和约束条件；(4)建立圆形横截面无人艇的性能综合评估分析的程序，并对已建的无人艇模型进行性能综合评估分析.。第2章 水下圆形横截面无人艇模型设定2.1 引言 2.2.1 船体阻力船体阻力和船体几何尺度、航速、水的粘性系数和质量密度及重力加速度等有关。为了比较不同大小船舶的阻力特性，也为了从船模试验结果换算到实船，通常将船体阻力表达成无因次的形式。在满足一定的几何相似、运动相似和动力相似的条件下
35、，不同大小的船舶的无因次阻力系数相等。动力相似粘性阻力相似定律在流体力学中，常用一个无因次参数，即雷诺数来表示粘性的影响。雷诺数是以英国物理学家雷诺的名字命名的，其定义式为： 式中，U 为的特征速度，在此为船舶航速（单位为 m/s），L 为特征长度，在此为船长（单位为 m），v为流体（在此为水）的运动粘性系数（单位为 m2/s）。船模的雷诺数约为106 的量级，实船的雷诺数约为108 的量级。用无因次形式表示粘性阻力，得到粘性阻力系数，它仅是雷诺数的函数：其中： Rv 为粘性阻力（单位为 N）， 为水的质量密度（单位为 kg/m3），S 为船体湿表面积（单位为 m2），U 为船舶航速（单位为
36、m/s）。粘性阻力系数仅与雷诺数有关。当两条船的雷诺数相等时，这两条船的粘性阻力系数必然相等，这就是所谓的粘性阻力相似定律。摩擦阻力是由粘性引起的阻力，也遵从于粘性阻力相似定律，即摩擦阻力系数仅与雷诺数有关；当两条船的雷诺数相等时，其摩擦阻力系数相等。摩擦阻力系数表达为： 摩擦阻力系数随雷诺数变化的规律一般是雷诺数越大，摩擦阻力系数越小。所以，实船的摩擦阻力系数小于船模的摩擦阻力系数。全相似船舶在水面航行时，受到的船体总阻力包括粘性阻力和兴波阻力，记无因次总阻力系数为则总阻力系数是雷诺数和傅汝德数的函数，即！如果能使两条船的雷诺数和傅汝德数分别相等，称为全相似，则这两条船的总阻力系数必然相等。
37、但可以证明，在船模试验中，全相似是无法做到的：由傅汝德数相等，有 因为 ，所以，由傅汝德数相等，有 因为，且 m 和s 相等或者相差不大（对于内河船， m 和s 相等；对于海船， m 、 s 分别为淡水和海水的运动粘性系数，两者相差不大），所以，由雷诺数相等，有可见，由傅汝德数相等和由雷诺数相等所得到的对船模速度的要求是相互矛盾的。一般在船模试验中只能做到船模和实船的傅汝德数相等，雷诺数无法相等。由于船模和实船雷诺数不同而造成船模和实船的总阻力系数有差异，称为“尺度效应”。水下无人艇正常航行时船体全部浸没在水中，相对于水面上的船舶来说，其所受到的阻力不用考虑耐波阻力。所以水下无人艇按船舶航行过
38、程中船体周围的流动现象和产生阻力的原因来分类，则船体总阻力Rt由摩擦阻力Rf和粘压阻力Rpv组成。摩擦阻力Rf是由于水的粘性作用，使船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力。粘性阻力Rpv:由于水的粘性作用，使船体前后部分存在压力差，产生了粘性阻力。2.2.2实际水下无人艇例子2.3 主尺度船长L=7.2m船宽B=1.2m吃水T=1.2m方形系数Cb=中横剖面系数Cm=设计水线面系数Cwp=图 2-1水下无人艇横剖面数值设计1.数值计算左：R0=0.6 L=R0V=(4/3)R03 /2=0.144 S=2 R02=0.72中：R1=0.6 L=2.4V=r2 * L=0.86
39、4 S=（R1+R2）L=2.7351右1：R1=0.6 R2=0.3117 L=3V=（R1-R2）2/3+R22*L=（0.02770563+0.09715689）3=0.37458756S=（R1+R2）L=2.7351右边2R2=0.3117 R3=0.03 L=1.2 R2-R3=0.2817V1=r2 * L/3=（0.2817）20.4=0.031741956V2=r2 * Lr2 * L=0.00036V=0.032101956S=0.37764体积V总=1.414689516=4.4443m3表面积S总=6.71274=21.08869m22.4 本章小结本章主要介绍了船舶航
40、行时所受到的阻力类型以及阻力的计算方法。水下无人艇在水下航行只受到摩擦阻力和粘压阻力，不存在耐波阻力。第3章 Gambit建模和Fluent软件计算3.1 Fluent软件介绍FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，是目前处于世界领先地位的商业CFD（Computational Fluid Dynamics计算流体动力学）软件包之一，最初由FLUENT Inc公司发行，在美国的市场占有率为60%。Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面
41、达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，FLUENT开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。FLUENT软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便于网格的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便。FLUENT划分网格的途径有两种：
42、一种是用FLUENT提供的专用网格软件 GAMBIT进行网格划分，另一种则是由其他的CAD软件完成造型工作，再导入 GAMBIT 中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与 FLUENT 兼容的网格用于FLUENT计算。FLUENT 可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔型网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。FLUENT 的内核部分是用C语言写成的，软件界面则是用LISP语言的一个分支 Scheme语言写成的。因为C语言在计算机资源的分配使用上非常灵活，所以 FLUENT也在这方面拥有很大的灵活性，并可以在“客户/服务器”模式下进行网络计算。而L
43、ISP类型的语言允许高级用户通过编制宏和自定义函数改变软件的外观，使用户在使用中可以根据自己的喜好定制界面，这点是FLUENT软件的一个显著特色。FLUENT 软件包中包括以下几个模块：GAMBIT专用的高质量的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合构建模型能力之前处理器，然后由Fluent进行求解。Fluent 5.4基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。Fidap基于有限元方法的通用CFD求解器，为一专门解决科
44、学及工程上有关流体力学传质及传热等问题的分析软件。FIDAP本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。 对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。Polyflow针对粘弹性流动的专用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。Mixsim针对搅拌混合问题的专用CFD软件，是一个专业化的前处理器，可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。cepak专用的热控分析CFD软件，专门仿真电子电机系统内部气流，温度分布的CFD分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设计快速建立
45、模型。3.2 Gambit软件建模3.2.1 建立模型基于GAMBIT超强组合构建模型的能力，所以选择此软件进行模型构建。创建三维模型，一般要遵循从点到线，从线到面，由面到体的原则。（1）点的创建单击命令面板中的Vertex按钮，进入Vertex面板。单击Vertex Create按钮，在Create Real Vertex 对话框输入点的坐标，再单击Apply按钮，就可以创建点。图 3-1 Vertex面板 从左边到右，从上到下依次输入点（0，0，0）、(0.6，0.6，0)、（0.6，0.6，0）、（3，0.6，0）、（3，0，0）等点得到结果如下图。图 3-2 点的创建（2）线的创建在命
46、令面板单击Edge按钮，就可以进行线的创建和编辑。在Edge命令面板中单击Create Straight Edge按钮，选择需要连成线的点，点击Apply按钮即可。这时视图中的线段是以黄色显示的。图 3-3 线的创建（3）面的构建面的创建只需选择组成该面的线，单击Apply按钮即可。图 3-4 面的创建 （4）体的创建进入Volume面板，点击Revolve Faces，选择面然后按X轴正向旋转180o，得到一个体。依次按这个步骤就得到图示模型。图 3-5 水下无人艇模型 水下阻力计算要求在模型附近布置足够密的网格，以准确获得所受到阻力等数据，而且计算域也必须取得足够大，以适用远场边界条件，避免流场中压力波等值边界反射引起数值计算的不稳定。但是计算域太大，无人艇周围要求足够密的网格又会造成所划分的网格太多，计算机资源不足，计算太慢等问题，所以我们需要再将域分成多层，越靠近无人艇的部分网格布置越密，越远离无人艇的区域网格可以布置得很稀疏。基于此目的，我们将这半个计算域分割成两部分。首次依次点击OperationGeometryVolume，再做一个半径200，长度2800，轴线沿X轴，在X轴正向区域内的圆柱体。按上方法，做一个半径150
