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近冰面航行条件下冰-水耦合作用对极区AUV水动力性能影响机理研究

批准号:
52101379
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
骆婉珍
依托单位:
学科分类:
船舶工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
骆婉珍

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
极区AUV近冰面航行时,冰-水-艇体复杂相互耦合作用使其水动力特性及绕流场不同于自由面和大潜深航行工况。连续冰层及自由面-浮冰-水耦合作用下的壁面效应对AUV的水动力特性及绕流场影响机理问题是目前极地AUV水动力性能设计及优化过程中亟待解决的问题。本项目针对AUV在极区连续冰层、浮冰、自由面和水等多物理场耦合作用下的水动力性能和绕流场分布特性影响问题,拟采用数值计算和模型试验相结合的研究方法,数值研究中采用大涡模拟结合离散元方法对连续冰层及浮冰影响下的AUV水动力性能进行计算;试验研究中,基于粒子图像测试技术(PIV)开展AUV受连续冰层及浮冰影响下的水动力及绕流场测试研究。结合数值及试验结果,揭示近冰面复杂边界条件下AUV水动力性能及绕流场影响机理,为极地AUV的优化设计及航行安全稳定性研究提供参考。
英文摘要
AUV sailing near ice surface involves the interaction of ice-water-hull. Thus, the hydrodynamic characteristics and flow field are different from those of free surface and deep submergence sailing. The nonlinear motion characteristics and hydrodynamic performance influence mechanism of AUV sailing near ice surface are significant for its accurate capture in the process of launching and recovery near ice surface. The effect of ice sheet and free surface-pack ice- water coupling on the hydrodynamic characteristics and flow field of AUV is an urgent problem to be solved in the design and optimization of hydrodynamic performance of polar AUV. In this project, the hydrodynamic performance and flow field distribution characteristics of AUV under the coupling effect of ice sheet, pack ice, free surface and water are studied by combining numerical calculation and model test. In the numerical study, large eddy simulation(LES) combined with discrete element method(DEM) is used to calculate the hydrodynamic performance of AUV under the influence of ice sheet and pack ice. In the experimental study, the particle image velocimetry (PIV) was used to measure the hydrodynamics and flow field of AUV under the influence of ice sheet and pack ice. Combined with the numerical and experimental results, the hydrodynamic performance and flow field influence mechanism of the AUV under the complex boundary conditions near the ice surface are revealed, which provides a reference for the optimization design, safety and stability research of the polar AUV sailing in the ice area.
随着极区探测任务的增多,极区自主水下航行器(AUV)在冰下环境中的应用需求逐渐增加。极区环境复杂,水面和水体下方常常存在连续冰层、浮冰和自由水面等多重物理边界,这些边界对AUV的水动力性能、操控性与稳定性有显著影响。尤其在近冰面航行时,AUV面临的冰-水耦合作用和流动扰动更加复杂,需要深入研究这些因素对AUV性能的影响。本项目基于目前极地水下航行器在近冰面航行工况的研究现状和研究重点,采用数值计算与试验研究相结合的方法,基于欧拉方法建立海冰-水-艇的耦合作用模型,利用大涡模拟方法,建立连续冰层及浮冰壁面条件,研究冰盖及浮冰影响下的AUV 水动力特性及流场变化机理;考虑近冰面不同潜深和不同航速下等不同工况对AUV周围流场及水动力特性的影响,讨论不同参数下的水动力性能;基于理论分析和数值计算结果设计相关试验,验证计算方法的正确性,揭示近冰面航行AUV 的水动力及绕流场特性。(1)进行了连续冰层壁面效应对AUV水动力特性影响研究:建立了连续冰层壁面效应下AUV水动力特性试验研究方案,并进行了不同工况下的阻力测量分析;建立了连续冰层壁面效应下AUV水动力特性数值预报方法。(2)进行了自由面-浮冰-水耦合作用对AUV 水动力特性影响研究:建立了浮冰-水混合介质环境中AUV水动力特性试验研究方案;进行了考虑实验修正的自由面-浮冰-水混合载荷中AUV水动力性能欧拉-拉格朗日耦合预报方法研究;对自由面-浮冰-水混合载荷对AUV 水动力特性影响进行了分析。研究结果表明:近冰面航行时,冰层和浮冰对水流产生明显扰动,导致AUV周围流场发生非定常变化,尤其是冰层与水体的接触区域,流速急剧变化,形成强烈的涡流结构。采用数值模拟方法,得到了在冰层附近,AUV周围的流动模式变化和扰动范围,提供了AUV在这种环境下的流场特征数据;在冰-水耦合作用下,AUV的水动力性能,如阻力和升力,会受到显著影响。
极地浮冰下扫对船艉伴流场分布特性影响与流动机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    骆婉珍
  • 依托单位:
国内基金
海外基金