基于动态混合网格的AUV水下发射与对接数值仿真研究

实现AUV水下发射和对接是解决AUV水下能源补充，水下数据交换和故障检测，实现AUV整个作业过程完全自主的必要前提。而AUV水下发射和对接运动的流场为多个物体运动的流场耦合叠加，对AUV的运动影响不同于无界流场中的单体运动，因此非常有必要研究多体相对运动的绕流场对AUV运动的影响，以实现AUV水下发射和对接的高精度控制，最终实现AUV水下发射和对接工程。 本文为获得AUV水下发射和对接过程数值模拟，针对水下单体、多体的三维大位移运动边界数值仿真问题提出了一种基于动态混合网格数值仿真的方法。主要解决了关键的三个方面问题：1)如何根据流场的特性划分网格拓扑结构，建立适合物体运动的网格；2)如何适应移动边界运动的任意性，建立相应的控制方程，并构建相应的运动区域方法和网格更新方法；3)如何实现移动网格的加速求解并保持计算精度。本文的主要研究内容为： 1) 针对复杂单一域提出一种基于八叉树、Delaunay三角化、层面推进法和前沿推进法的三维混合网格生成方法；对复杂多域提出块混合网格生成方法。数值结果表明，采用本文提出的这两种网格划分方法能适应复杂区域的网格划分，同时能满足流场分布特性，减少网格数量，提高网格划分的质量，提高数值求解精度。 2) 从提高ALE描述的控制方程计算精度方面，提出了三维动态混合网格方 法、改进动态混合网格方法和动态层混合网格方法分别适用于不同运动模式下的网格运动更新。这样不仅能描述任意形式的物体运动，而且能遵守ALE描述控制方程的守恒性，同时提高网格更新的速度，网格更新后的质量和数值求解的精度。 3) 针对多体非定常数值求解耗时，本文提出了动态混合网格并行计算模型，采用基于区域分解的分块耦合并行算法来加速数值求解速度。在不损失计算精度的前提下获得了很高的并行计算加速比。 4) 为了验证移动网格法数值求解的精度，本文首先对单个复杂形状的AUV进行了非定常直航和非定常回转运动的运动边界数值仿真，并用试验和定常求解结果和非定常附加动量源方法验证了移动网格法数值求解的精度。 5) 本文将混合网格方法、移动网格方法和并行计算方法应用到了AUV从发射管发射和对接发射管两个过程的三维大位移运动边界数值仿真中，并用理论值和定常结果验证了数值求解的精度，得到AUV发射过程和对接过程的流场水动力特性，并通过理论和数值试验，提出AUV水下发射和对接方案。