深海作业平台无动力上浮过程水动力分析及运动仿真研究

本文在-180°～0°攻角范围内，对上浮平台的流场进行了研究，结果表明大攻角下扁平体平台的分离流动及涡系非常复杂，从而造成了相应水动力的强非线性。扁平体平台垂直面内的旋转阻尼大，整个上浮过程呈现以攻角变化为主的运动特点，本文提出了在运动方程中采用“变攻角基准状态”的水动力表达方法，即位置力插值，剩余项采用传统增量模式，从而提高了上浮全过程及稳态解的预报精度。上浮运动的系列仿真揭示了抛载重量、抛载位置、初始状态对上浮全过程的影响规律。本文据此对工程上抛载提出了建议。研究结果表明，该深海作业平台无动力上浮过程具有较好的上浮安全性。     

舰船推进系统－－多种动力的联合系统

论述了联合推进系统，并且对舰船推进系统的过去、现在、未来进行详细讨论。     

秦皇岛港防风网结构动力特性分析研究

通过研究秦皇岛防风网结构的动力特性,以及脉动风压作用下防风网结构的动力响应特性,解决秦皇岛防风网工程的结构安全问题。分析可知,工程采用的防风网结构自振周期远离能量较大的脉动风荷载周期,不会发生共振现象。     

船舶动力定位系统中的非线性滤波器设计研究

船舶动力定位系统主要作用是维持船舶在航行过程中的位置和方向,保证航行的安全。为了克服海面水流和风力对船舶航行造成的影响,需要动力系统中的滤波系统对船舶的综合位置信号进行分离,以消除干扰,从而能够精确控制船舶姿态。本文在研究船舶定位系统的基础上,建立理想状态下的动力定位模型,并利用卡尔曼滤波算法和贝叶斯估计模型获得精确的样本,最后与非线性滤波控制系统联合仿真,以此得到精确的仿真模型。仿真结果表明,此滤波算法具有良好的适应性,能够满足动力定位系统的需求。     

鸭绿江口的海岸动力地貌体系及海岸开发

本文阐述了鸭绿江口并存的两种不同动力体系和地貌体系的特征及成因，分析了这种动力地貌体系的演变趋势，并探讨了在我国境内西水道的优越的自然条件及其海岸的开发利用。     

基于动力定位应用的直翼推进器水动力特性分析

直翼推进器具备良好的操纵性及机动性,适用于有较高动力定位控制要求的船舶。文章分析了直翼推进器的工作原理,并结合实船选型及安装情况进行了水动力特性初步分析,该结果可为后续动力定位控制策略和算法研究以实现推力最大化或效率最大化提供参考。     

动力定位船舶推进器的偏置组合设置

针对动力定位船舶在定位作业中及不同情况下推进器采用偏置组合设置问题,以某康士伯格动力定位系统中设置界面和某动力定位船舶实际设置中推进器反应事例为参考,总结推进器采用偏置设置的优缺点及合理设置方法。研究结果表明：当外界环境力较小或是方向多变时,通过合理采用推进器偏置设置,可以减少机动部位磨损,提高动力定位精度。     

小型核-柴电混合动力潜艇可行性研究

本文探讨小型核－柴电混合动力潜艇的发展概况、发展必要性、方案设想、优缺点分析、关键技术和发展前景。研究结果表明，其水下续航力等性能比其它类型ＡＩＰ优越，可达到全航程使用ＡＩＰ的高要求。     

不同风向和风速下动力定位船舶的动力响应分析

海上作业的海洋结构物须有良好的定位能力以方便各种工程的实施,为了实现高精度、不受水深影响的定位,越来越多的深海作业船舶倾向于安装动力定位系统。本文参考了某动力定位船舶的船型参数与船体响应幅值算子,利用OrcaFlex水动力软件模拟计算不同风向、风速下的动力定位船舶动态响应运动情况、推进器的反力和反力矩,实现了对动力定位船舶在不同风向下的动力学分析,得出不同风向和风速对船舶动力定位精度的影响,确定了船舶动力定位时的最佳风向并提出了若干工程建议,有助于船舶动力定位的优化设计及保证海上安全作业。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

三维摆动尾鳍的数值模拟

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,本文以金枪鱼尾鳍为研究对象,建立了三维刚性仿生尾鳍模型,使用大型通用CFD商业软件FLUENT对特定工况下尾鳍作纵摇升沉耦合运动的非定常流场进行了数值计算,给出了尾鳍的水动力系数和尾流区域的流场特征图,初步探讨了三维仿生尾鳍的推进机理。     

升力鳍伺服系统非定常水动力特性的研究

重点研究了升力鳍升力及转矩与鳍角的非定常水动力特性。通过对鳍升力和转矩的非定常水动力特性试验数据的分析,提出了升力鳍系统的鳍角与升力的换算关系应建立在非定常水动力的基础上。以Theodorsen理论为基础,利用水动力试验数据,修正了基于Theodorsen理论的计算升力系数的公式,提出了修正的升力转矩非定常水动力的数学模型,经实例计算仿真结果与水池试验结果比较,验证了该数学模型的正确性。利用该数学模型直接计算升力,可以省去复杂的、可靠性低、误差大的升力测量装置及复杂的升力计算。该研究也进一步充实了升力鳍非定常水动力特性的理论研究,解决了升力计算的问题。     

Locomotion by mechanical pectoral fins

The objectives of this study were the development of a new device for maneuvering an underwater vehicle using the mechanism of a fish swimming, an experimental and theoretical analysis of the hydrodynamic characteristics of the device, and its application to maneuvering a fish robot. Observations and experimental analysis of the pectoral fins of a black bass (Micropterus salmoides) revealed that the locomotion of the fish, such as swimming forward at low speed, swimming backward, and turning in a horizontal plane is generated by using a combination of a feathering motion and a lead-lag motion of the pectoral fins. A mechanical pectoral fin making a feathering motion and a lead-lag motion generates a thrust force in a range of phase differences between both motions. The unsteady vortex lattice method, including the effect of viscosity, can express fairly well the unsteady forces acting on the mechanical pectoral fin in the range of phase differences where it exerts the thrust force. The fish robot, consisting of a model fish body and a pair of mechanical pectoral fins, can not only swim forward and turn in almost the same position, but can also swim in a lateral direction without changing the yaw angle. Translation of an article that appeared in the Journal of The Society of Naval Architects of Japan, vol. 182 (1997): The original article won the SNAJ prize, which is awarded annually to the best papers selected from the SNAJ Journal, JMST, or other quality journals in the field of naval architecture and ocean engineering.     

减摇鳍与船体的适配性数值模拟

利用计算流体力学方法对减摇鳍与船体之间的适配性问题进行研究。利用零航速减摇鳍的参数以及某型驱逐舰的船型型值表,分别建立在敞水条件下的减摇鳍模型以及加上减摇鳍的船体模型。首先,仿真分析在中、高航速下敞水条件的减摇鳍与受船体约束减摇鳍的静态水动力特性。其次,利用动网格技术分别分析在中、高航速和低航速下敞水条件的减摇鳍与受船体约束减摇鳍的动态水动力特性。计算结果分析表明：静态仿真时,虽然受船体约束减摇鳍的失速角没有敞水条件下的减摇鳍大,但在同样的攻角下,其升力系数却有较大的提高;在动态仿真中,无论是在中、高航速还是低航速下,受船体约束减摇鳍拍击产生的升力都要比敞水条件下的减摇鳍大,但同时产生的阻力以及所需的转鳍力矩也有较大的提高。     

Estimation of the hydrodynamic coefficients of the complex-shaped autonomous underwater vehicle TUNA-SAND

Hydrodynamic coefficients strongly affect the dynamic performance of autonomous underwater vehicles (AUVs). Thus it is important to have the true values of the coefficients in order to simulate the AUV’s dynamic performance accurately. Although these coefficients can be predicted by many methods, most are only applicable for AUVs with streamlined shapes. Computational fluid dynamics (CFD) can be applied to estimate the hydrodynamic coefficients of AUVs with complex shapes. In this study, CFD was applied to estimate the hydrodynamic coefficients of the AUV TUNA-SAND (which stands for terrain-based underwater navigable AUV for seafloor and natural resources development), which has a complex block-like structure. First, the validity of the CFD simulation was verified by comparison with experimental results. Second, the relationships between hydrodynamic loads and motions for all six degrees of freedom were analyzed using the simulated results. Third, the importance of each hydrodynamic coefficient was investigated based on these relationships. There are 16 key damping coefficients that relate to viscosity and 12 key inertial coefficients that relate to the potential flow around TUNA-SAND. Finally, the values of all the key coefficients were obtained and verified by comparing the solutions of the simulated dynamics with the experimental results.     

排气角度对航行体表面等压气膜演化机制及流动特性影响研究

等压排气是一种可有效改善航行体绕流流场特性、抑制纵向偏转的流动控制技术。文章数值模拟了带等压排气的航行体水下垂直运动过程,给出了不同排气角度时的排气流量及速度、气膜长度等参数变化规律,分析了排气角度对等压气膜非定常发展过程及航行体绕流流场特性的影响,建立了排气孔附近及其下游流场、气膜尾部回射流场的拓扑结构,探讨了等压气膜的形态特征、演化规律及其降低航行体表面压力的机制,研究结果有助于深入理解等压排气技术改善航行体流体动力学特性的物理本质。     

微型开架式水下机器人水动力系数测定

水下机器人水动力系数的准确测定,是对机器人运动进行仿真和控制的前提。以形状复杂的开架式有缆水下机器人(ROV)作为研究对象,通过一系列水动力试验,计算出适用于开架式水下机器人模型的几个重要的实时水动力系数,为自主遥控水下机器人(ARV)的运动仿真提供了数据支撑,进而为ARV的控制奠定了基础。     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

面向AUV自主回收的拖曳装置水动力特性研究

本文根据无人水面艇(USV)回收自主水下机器人AUV需求,设计了一款V型拖曳装置(V型翼)。通过STAR-CCM+流体仿真分析软件,在航速3 kn情况下,采用空间拘束法求解了V型翼的部分水动力系数,建立了V型翼水动力模型,并进行运动稳定性分析。外场试验数据分析结果显示,稳定拖曳状态下,舵角和V型翼纵倾角具有响应关系,对其进行公式推导,将计算值与实测数据进行对比,两者吻合程度较好。