深海浮囊动作过程非线性流固耦合行为研究

In the background of national deep-sea development, according to the requirement of the development for the deep-sea flotation airbag design and analysis, the nonlinear fluid-structure interaction characteristics of the action process of the flotation airbag considering the exterior flow field are investigated with theoretical analysis and experimental research. Aiming at the inflatable deployment process of deep-sea flotation airbag, the nonlinear fluid-structure interaction model of flotation airbag under the action of hydrostatic pressure will be established. By introducing the dynamic water pressure, the interaction mechanism between inflatable deployment and exterior flow field will be revealed. Meanwhile, research on the behavior of the flotation airbag under the action of dynamic water pressure in the inflation deployment process will be carried out as well. As for the uplift process, the time-varying dynamic model will be developed which can describe the uplift process of multi-body inflation structures. At last, taking some typical underwater inflatable structures as research objects, the related flotation airbag model will be designed, and the experimental research will be carried out to verify the inflatable deployment model and the time-varying dynamic model. The outcome of this project will provide technical support for the application of deep-sea flotation airbag in the national deep-sea development.

本项目以国家深海开发战略为背景，针对深海浮囊结构设计及分析的发展需求，采用理论分析与实验验证相结合的手段，对考虑外部流场的浮囊动作过程(充气展开及上浮过程)非线性流固耦合特性开展研究。针对浮囊充气展开过程，建立定常静水压力作用下浮囊充气展开的流固耦合分析模型，在此基础上引入动水压力的影响，揭示浮囊充气展开过程与外部流场的耦合机理,开展动水压力作用下浮囊动态展开行为分析；然后针对浮囊上浮过程，建立可用于描述多体浮囊上浮过程时变动力学行为的数值分析模型；最后，以典型的浮囊结构作为研究对象，设计实验模型，通过实验验证分析模型的有效性。该项目研究成果将为充气结构在海洋开发中的应用拓展提供有力的基础技术支撑。

以国家深海开发战略为背景，针对深海浮囊结构设计及分析的发展需求，本项目通过理论分析与实验验证相结合的手段，对考虑外部流场的浮囊动作过程非线性流固耦合特性开展研究，深入了解了浮囊的充气展开行为、及其对水下航行器上浮过程中姿态变化以及运动轨迹的影响：首先对水下折叠浮囊的充气展开特性进行了相关研究。分别基于热力学基本原理、控制体积方法，开展了水下折叠浮囊的充气展开解析分析及数值仿真，通过与地面展开试验的初步对比，验证了浮囊折叠建模及充气展开方法的有效性。进一步计算分析了充气压力、充气管径、水深等设计参数对水下浮囊充气展开过程的影响。其次，基于展开动力学分析模型，提出了一种多学科协同仿真方法，建立了可以同时耦合水下航行器六自由度刚体运动和浮囊局部变形的水动力模型，采用动网格技术实现了浮囊局部膨胀的变形模拟，并基于N-S方程进行计算。通过仿真计算，得到了水下航行器充气上浮的精细化过程，并获得水下航行器上浮时合力分量的时间历程曲线和姿态变化数据。另一方面，考虑浮囊充气过程对水下航行器运动的影响，对水下航行器从停机至最大深度后上浮的运动过程进行分析，建立了解析分析运动模型。采用DOE方法分析模型中的运动姿态与设计因子之间的关系，获得了不同浮囊布局方案对上浮系统的影响，为水下航行器及浮囊上浮装置的分析研究和工程设计提供参考。最后，对环形浮囊地面及水下的充气过程展开试验研究，进行了地面及不同深度的水下充气试验，通过高速相机获取了充气过程的影像及充气过程。对比分析了试验结果与计算模型的分析结果，两者一致性较好，表明了充气与上浮过程计算模型的正确性。该项目研究成果将为充气结构在海洋开发中的应用拓展提供有力的基础技术支撑。