AUV在极限流域中的力学与运动特性研究

The methodology of exploring the mechanical characteristic of AUV in constrained flow field is one of the key points for AUV self-propelled launching, underwater recovery and docking. On nonlinear mechanical problems of AUV self-propelled launching, underwater recovery and docking, the research should be taken systematically through the combination of theoretical analysis and experimental study. First of all, by using PANEL-FREE method based on the improved potential flow theory and CFD technique found on N-S equations, the high-precision nonlinear hydrodynamic computational models of the process that AUV moving into and out of tube are established respectively. Then based on the model the research is taken to explore the rules of the hydrodynamics during AUV moving into and out of tube. Secondly, in order to get the vortex characteristic and the analysis of boundary layer interaction，the process AUV moving inside the tube is simulated through the DNS method. Thirdly, dynamic equations and security rules of the process that AUV moving into and out of tube are set up base on the rigid dynamic theory. At last, for the reference of the numerical simulation the experiments are carried out to research the boundary layer and mechanical characteristic. Through this project, mechanical and motion characteristic rules of AUV moving in constrained flow field are revealed.

AUV自航发射、自主回收及水下对接等过程将出现AUV在管内极限流域运动，AUV在极限流域运动的非线性力学特性的精确计算对于AUV能否实现安全发射、回收及对接具有至关重要的作用。针对该问题，本项目拟采用理论分析与实验研究相结合的方法进行系统研究。首先，采用基于势流理论改进的PANEL-FREE方法和基于N-S方程的CFD方法，分别建立AUV进出管过程的高精度非线性流体动力计算模型，研究不同工况下AUV进管和出管流体动力变化规律；其次，采用DNS方法对AUV管内运动进行模拟，得到极限流域的涡量特征，准确分析AUV与管壁边界层的干扰特性；然后，依据刚体动力学理论建立AUV进管和出管过程动力学模型，确立AUV进管和出管安全性评判准则，并进行安全性分析；最后，开展AUV进出管过程的边界层流场测试和力学特性试验研究。通过本项目的研究揭示AUV在极限流域中的力学与运动特性。

本项目主要针对AUV发射回收及对接过程极限流域中的力学与运动特性进行研究，AUV进管过程属于无界流场运动到极限流场的运动过程，该过程中管壁的边界层与AUV的边界层相互影响；AUV出管可视为AUV从极限流域向无界流域运动的过程，该过程与进管过程类似，但方向的改变会使螺旋桨和鳍舵处于AUV运动的前方，复杂流场将会影响边界层特性；当完全进管后，AUV处于多固体边界共存的极限流域中，流场较为复杂。针对以上问题，本项目重点突破AUV进出管过程极限流域的非线性流体动力计算、运动模型建立和安全性分析及AUV在极限流域中力学与运动特性实验研究等关键技术，主要取得以下研究成果：.（1）基于势流理论与CFD技术建立了适合于描述AUV进出管过程的非线性流体动力计算的数学模型、数值方法以及边界条件和初始参数，确定了AUV进出管过程中极限流域的狭小缝隙的网格划分策略及网格拓扑关系，对湍流模型、时间步长和网格无关性进行了验证，完成了AUV进出管过程极限流域的非线性流体动力数值求解，分析了AUV的速度、姿态以及有无海流对AUV进出管过程流体动力特性的影响规律。.（2）本项目结合AUV进出管过程流体动力变化规律，基于刚体动力学原理，采用第二类拉格朗日方程建立适用于AUV进出管过程的动力学方程，确立了AUV进出管安全性评判准则，对不同工况条件下AUV进出管运动进行安全性分析，得到不同工况条件下AUV进管和出管过程的最优安全运动方案。.（3）本项目采用热线测速技术（HWA）在水池实验室开展了AUV进出管过程中的边界层流场测试实验，采用Net系统F/T传感器应力应变天平开展了AUV进出管过程的力学特性测试实验，对流体动力数值计算结果进行了验证；最终利用水下观测运动跟踪系统在水池实验室开展AUV进管和出管过程的运动学实验测试，分析了AUV在进出管过程中的运动特性。.理论研究成果已发表论文4篇（EI收录3篇），并授权国防专利4项、受理国防专利1项。本项目取得的研究成果为后续AUV进出管的进一步研究提供了一定的理论基础。