水下机器人水动力数值计算与预报

本书主要介绍了水下机器人水动力学领域的数值计算、操纵性建模与预报的方法。

目录
丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
1.1 水下机器人及其发展现状 1
1.2 水下机器人总体设计及水动力学 5
1.3 水下机器人水动力计算与预报方法 6
1.4 水下机器人水动力计算方法研究现状与趋势 7
1.4.1 黏性类水动力计算方法研究现状与趋势 7
1.4.2 惯性类水动力计算方法研究现状与趋势 10
1.5 全书主要内容概述 11
1.6 本章小结 13
参考文献 13
2 水下机器人六自由度运动模型 15
2.1 坐标系及符号体系 15
2.1.1 国际拖曳水池协会坐标系及符号体系 15
2.1.2 随体坐标系到速度坐标系的坐标变换 17
2.2 水动力建模 19
2.2.1 静力：重力和浮力 19
2.2.2 惯性类水动力 19
2.2.3 黏性类水动力 21
2.3 螺旋桨推力建模 27
2.4 本章小结 28
参考文献 28
3 计算流体动力学原理及计算可信度验证 29
3.1 CFD计算的基本原理和流程 30
3.1.1 CFD计算的基本原理 30
3.1.2 CFD计算的基本流程 34
3.1.3 计算精度验证的CFD计算对象 35
3.2 流域参数对阻力计算结果的影响 36
3.2.1 流域参数设置的一般原则 36
3.2.2 斜航试验模拟时流域参数设置 37
3.3 网格参数对阻力计算结果的影响 38
3.3.1 网格划分概述 38
3.3.2 边界层网格参数的一般准则 39
3.3.3 面网格和体网格参数分析 42
3.3.4 网格参数建议值总结 46
3.4 本章小结 46
参考文献 47
4 基于运动变换的黏性类水动力数值计算方法 49
4.1 黏性类水动力概述 49
4.1.1 黏性类水动力分类 49
4.1.2 黏性类水动力试验研究方法 50
4.1.3 黏性类水动力CFD计算方法 52
4.2 基于旋转坐标系的黏性类水动力计算方法 52
4.2.1 位置力计算方法 52
4.2.2 旋转力和耦合力计算方法 53
4.2.3 计算方法验证 55
4.3 基于附加动量源的黏性类水动力计算方法 59
4.3.1 随体坐标系下的N-S方程 59
4.3.2 附加动量源 62
4.3.3 计算方法验证 62
4.4 基于旋转动量源的黏性类水动力计算方法 67
4.4.1 两种坐标系下的N-S方程 68
4.4.2 旋转动量源 69
4.4.3 计算方法验证 70
4.5 本章小结 77
参考文献 78
5 基于动量源的惯性类水动力数值计算方法 79
5.1 惯性类水动力概述 80
5.1.1 流体惯性力的理论表达 80
5.1.2 水下机器人惯性类水动力表达 81
5.2 圆球体附加质量计算 82
5.2.1 计算设置 82
5.2.2 基于湍流模型的计算验证 85
5.2.3 基于层流模型的计算验证 88
5.2.4 圆球体附加质量计算结果小结 89
5.3 椭球体附加质量 90
5.3.1 计算设置 90
5.3.2λ11和λ33的计算验证 92
5.3.3λ55的计算验证 94
5.3.4 附加质量计算方法总结 97
5.4 本章小结 98
参考文献 99
6 水下机器人水动力系数辨识 100
6.1 水动力系数辨识原理 101
6.1.1 动力学模型结构与参数估计 101
6.1.2 辨识算法 102
6.2 基于CFD计算的水动力系数辨识 102
6.2.1 水下机器人实例 102
6.2.2 速度类水动力系数辨识 104
6.2.3 水动力系数辨识结果 111
6.3 基于实航试验的水动力系数辨识 112
6.3.1 极大似然辨识算法 112
6.3.2 辨识算法测试 119
6.3.3 实航水动力系数辨识 122
6.4 本章小结 125
参考文献 125
7 水下机器人水动力设计与预报案例 127
7.1 水动力计算过程集成 128
7.1.1 水动力计算过程 129
7.1.2 网格划分流程和流域创建流程 129
7.1.3 流域设置 133
7.2 水下机器人外形参数化设计 135
7.2.1 外形参数化设计概述 135
7.2.2 基于CST方法的曲面表达方法 135
7.2.3 翼身融合体参数化建模 136
7.3 水下机器人水动力计算 137
7.3.1 计算内容 137
7.3.2 光体模型计算与试验结果及分析 139
7.3.3 含操纵面模型计算结果及分析 142
7.4 运动参数对水动力的影响 145
7.4.1 旋转角速度影响分析 146
7.4.2 旋转半径影响分析 147
7.4.3 攻角影响分析 149
7.4.4 漂角影响分析 151
7.5 本章小结 153
参考文献 154
8 水下机器人水动力计算新领域：空化/超空化 155
8.1 水下空化计算方法验证 155
8.1.1 水下空化计算方法 156
8.1.2 表面压力系数验证 157
8.1.3 空泡尺度验证 171
8.2 水下自然空化特性研究 175
8.3 水下通气空化特性的数值计算研究 178
8.4 本章小结 182
参考文献 182
索引 183
彩图