波浪滑翔器的浮体阻力及运动性能分析研究

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随着人类对海洋的开发与利用,对于海洋的探索需求越来越大。常规的海洋观测设备因能源、观测范围等因素限制,波浪滑翔器作为利用波浪能为动力来源的新型海洋观测平台应运而生。波浪滑翔器克服了能源和海洋环境的不利因素,能够在海洋中大范围、低成本、持久的进行海洋环境观测,使其能够得到广泛的应用。波浪滑翔器作为一种新的海洋观测平台,国内外的研究以潜体串列水翼的水动力分析以及波浪滑翔器的运动控制为主。本文以波浪滑翔器浮体为研究对象,深入研究了浮体在波浪中的阻力问题、浮体升沉运动问题及浮体与潜体升沉运动问题。首先,依据波浪滑翔器浮体的三维几何模型,计算出多种形状浮体、吃水不同的浮体、有无附体的浮体在波浪中运动时的阻力。以RANS方程和SIMPLE算法为基础;流体体积函数法(VOF法)作为自由液面的处理方法;利用重叠网格技术实现了浮体在波浪中的运动;选用SST湍流模型、计算域网格的划分、边界条件的设置等完成浮体在波浪中阻力计算设置。通过对比不同浮体在波浪中运动的阻力,得到了不同形状浮体、不同吃水浮体及有无附体的浮体与波浪阻力关系,得出浮体在波浪中运动时阻力中的波浪增阻为主要成分的定性结论。其次,根据浮体六自由度运动与浮体在波浪中的一般运动方程式建立浮体在规则波中升沉与纵倾数学模型;利用STAR-CCM+软件的DFBI六自由度运动模块实现浮体在数值计算时的模拟运动。得出了浮体不同时刻下的升沉值和纵倾值,计算出不同形状浮体、不同吃水的浮体及有无附体的浮体在不同波长下的升沉幅值、升沉速度、升沉加速度。对比浮体的升沉幅值,得出不同形状浮体、吃水不同的浮体、有无附体的浮体的对升沉幅值的影响。最后,分析了浮体与潜体结合的情况下在规则波下运动过程下的受力情况,建立潜体和浮体相互之间在波浪中升沉运动响应的几何约束条件,通过AWQA与STAR-CCM+进行数值计算,得到了波浪滑翔器浮体在一级、二级、三级海况下升沉幅值,在减阻和增大浮体升沉幅值(从增大升沉幅值带来的动力提升方面来说)方面为下一代波浪滑翔器设计和海洋试验提供了数据参考。
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