﻿ 潜体水动力系数计算研究综述
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (1): 1-6 PDF

1. 哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209;
2. 山东交通学院 威海校区，山东 威海 264200

Research development on calculation of underwater vehicle's hydrodynamic coefficients
DONG Miao-miao1, ZHANG Xi-qiu2, YU Chang-li1, GUI Hong-bin1
1. Harbin Institute of Technology in Weihai, Weihai 264209, China;
2. Shandong Jiaotong University Weihai Campus, Weihai 264200, China
Abstract: The calculation of underwater vehicles′ hydrodynamic coefficients is a key step in the study of its maneuverability. With the rapid development of submarines and autonomous underwater vehicles (AUV), it has always been a hot topic for domestic and abroad scholars. The research development of hydrodynamic coefficients′ calculation method is reviewed for carrying out studies and researches conveniently. This paper mainly summarizes the research results on calculation of the hydrodynamic coefficients of underwater vehicles in three different calculation methods according to the hydrodynamic experiment, analytical and semi-empirical methods and the numerical calculation. The numerical calculation method is used to obtain the hydrodynamic coefficients of the AUV. Furthermore, advantages and disadvantages of different calculation methods are summarized, significant achievements are summarized, and several issues are identified for the future study.
Key words: underwater vehicles     hydrodynamic coefficients     planer motion mechanism (PMM)     computational fluid dynamics (CFD)
0 引　言

1 模型试验法

Avila等[7]用全尺寸的开架式潜水器通过PMM进行纯横荡和纯首摇运动试验，获取线性加速度导数和线性速度导数，从而为操纵性预报提供了较充足的水动力导数，但纯横荡和纯首摇运动模拟只能获得水平面的惯性类水动力系数，无法求取垂直面的惯性类水动力系数。为此，Xu等[8]通过垂直型平面运动机构和循环水槽进行纯升沉和纯俯仰运动试验，获得了潜水器垂直面的惯性类水动力系数。目前，更多的学者利用平面运动机构对潜水器的六自由度耦合运动工况下的水动力进行试验研究，研究成果颇丰。例如，赵金鑫等[9]以某带吊舱小型潜水器为研究对象对其进行直航、斜航、纯升沉、纯俯仰、纯横荡、纯首摇等水动力模型试验，得到潜器操纵性预报所需的水动力系数，并将计算结果与数值计算结果进行对比验证。李刚等[6]利用循环水槽和PMM对穿梭潜器的水动力进行试验测试，得到了相对充足的水动力系数，并对数值模拟和物理模型试验过程进行对比，分析不同数值模拟过程得到的水动力结果变化规律，建立了针对穿梭潜器操纵运动特征的水动力平方项模型。庞永杰等[10]利用循环水槽中的VPMM对无桨和带桨全附体潜艇模型进行拘束模型试验，分析了螺旋桨对潜艇操纵性水动力的影响。

2 半理论半经验的估算方法

3 数值方法 3.1 数值方法研究现状综述

3.2 某水下自主航行器数值计算

 图 1 水下航行器模型 Fig. 1 Underwater vehicles model

4 结　论

1）通过一定数量的研究，对本文讨论的3种方法的适用范围及存在的问题进行讨论。国内现有的潜体操纵运动水动力估算公式形式简单，不能充分、准确地反映潜水器外型的变化，所以实用性和预报精度达不到工程实用要求，通过近似公式估算的方法适用于设计的最初期，特别适用于主体较规则的椭球体潜水器，能够得到该设计模型水动力性能优劣的基本评价；基于势流理论的面元法能够获得惯性类水动力系数，虽然忽略了流体粘性，但是结果精度相对较高，适用于模型设计完成之后。

2）模型试验法可以较精准测定预报潜体操纵性所需要的水动力系数，但是需要耗费大量的人力、物力和时间，不利于潜水器尤其是小成本潜水器的开发和利用，多用于研究对精度要求较高的功能性潜体和验证数值计算、半经验半理论计算方法的准确性。

3）数值计算方法为获取潜体水动力系数提供了新的方向，几乎涵盖了半经验半理论计算方法和模型试验的全部优点，研究范围也最广。由于Suboff潜艇实验数据完整，所以数值方法目前的研究主要是计算Suboff潜艇的水动力系数，并与试验结果对比验证方法精度，对于潜艇的数值计算方法获取水动力系数已经日趋成熟。然而，对于潜水器水动力系数的数值计算过程主要延用了潜艇的方法，会带来一定的误差。潜水器相比潜艇，灵活性更高，同样的误差等级会给所得结果带来更大的影响，所以与潜艇采用相同的数值计算处理方法存在一定的不合理性。

5 展　望

1）模型试验存在天平量程、流速、循环水槽大小等造成误差的因素，在日后的试验中，试验前应对这3个量的数值进行反复确认，缩小误差。

2）数值模拟应与实际航行情况一致，目前多数研究为了计算简便，忽略了螺旋桨的影响[2931]，为了使模拟结果趋于真实情况，对于带桨潜体的数值计算需要进一步深入研究。

3）数值计算过程中忽略了重、浮心相对位置等对潜水器水动力的影响，在以后的研究中应将该因素考虑在内，减小与实际结果的误差。

4）数值计算效率与精度达不到统一，数值模拟时注意选取恰当的网格技术，在保证精度的情况下，提高计算效率，模拟不同的运动选取恰当的湍流模型，保证计算结果与实际相符合。

5）进一步研究潜艇与潜水器数值方法获取水动力系数的不同，实现通过数值方法获得高精度的潜水器水动力系数。

6）对于潜水器的近似公式多采用潜艇、鱼雷等的经验公式，日后应在进行大量试验和精确的数值模拟后获取潜水器的水动力系数估算公式。

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