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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉韋群
研究生(外文):Wei-Chun Liu
論文名稱:應用模組化數學模式之潛艦操船模擬系統之研發
論文名稱(外文):Development for a Simulation System of Submarine Maneuvering Motions by Applying Modular Mathematical Model
指導教授:邱逢琛邱逢琛引用關係
口試委員:曾國正方銘川方志中蔡進發
口試日期:2015-06-30
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:工程科學及海洋工程學研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:潛艦操船模擬模組化數學模型流體動力係數CFD計算流體力學
外文關鍵詞:SubmarineManeuvering motion simulationModular mathematical modelHydrodynamic coefficients of fluidCFD
相關次數:
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  本研究依循本實驗室過往發展之模組化建模方式建構潛艦操縱運動模組化數學模式,亦即數學模式將由包含帆罩、艦體、艏翼、艉翼、舵、螺槳、前後水櫃等個別元件的基本性能以及其位置影響效應所構成。運動方程式中的各項流體動力係數以CFD工具ANSYS-FLUENT進行計算。操縱運動模擬係以逐時求解整體六自由度非線性數學模式的方式進行。
  本研究依據去年蒐集到的潛艦資料建構供試仿擬潛艦構型,並在過往已發展的模組化潛艦數學模式之基礎上,擴充納入水櫃操作模式以建立可模擬潛艦在水下進行下潛與上浮運動之完整潛艦數學模式,並以供試仿擬潛艦構型為例進行水動力係數計算及操縱運動模擬。直線航行、下潛上浮、水平面迴旋運動及拉回測試(Pull-Out Test)等模擬計算結果與資料比對,顯示本研究所擴充開發完成的數學模式與模擬系統軟體可合理的模擬潛艦在水下的六自由度操縱運動,此計算模擬工具應足以提供操船模擬之用。

  The purpose of the study is to develop a submarine maneuvering motion simulation tool. In this study, the modular modeling methodology which has been developed before at my Lab is applied and extended to include the ballast and trimming tanks for descent and ascent maneuvers. Namely, the hydrodynamic forces model of fuselage, sail, bow planes, stern planes, rudder, propeller, ballast and trimming tanks are treated as an individual component, and their interactions are described by another terms with clear physical meaning.
  Based on the collectable data of a submarine, a simulated submarine configuration is generated for testing the mathematical model and simulation tool developed in the present study. The hydrodynamic coefficients of the simulated submarine configuration are calculated by CFD software of ANSYS-FLUENT.
  Submarine maneuvering motion simulations are carried out by solving a coupled nonlinear 6-D equations of motions time step by step. It is confirmed that all the simulations of steady forward propulsion, descent and ascent maneuvers, steady turning on horizontal plan, pull-out test for checking the directional stability show reasonable results. We finally concluded that the mathematical model and simulation program system developed in the present study can be expected to be an effective tool for simulating an underwater platform of submarine in the training of anti-submarine operations.

口試委員會審定書 I
致謝 II
摘要 III
ABSTRACT IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章 前言 1
1-1 研究背景與目的 1
1-2 相關研究回顧 1
1-3 研究方法與本文架構 2
第二章 潛艦操縱之模組化數學模式 5
2-1 模組化數學模式描述 5
2-1-1 座標系及正負向定義 5
2-1-2 潛艦六自由度運動方程式推導 6
2-1-3 潛艦固定坐標系與空間固定坐標系之轉換 9
2-2 螺槳力模式 10
2-3 水櫃操作導入 10
2-3-1 潛艦質量可變模式 11
2-3-2 潛艦浮力及重力浮力差 12
2-3-3 變動質量對重心及慣性矩之效應 12
2-4 包含水櫃效應之潛艦六自由度運動方程式 14
2-5 非線性運動方程式之線性化及模擬計算流程 19
第三章 供試仿擬潛艦構型之建構 21
3-1 幾何外型 21
3-2 推進系統 23
3-2-1 螺槳性能 23
3-2-2 馬達扭矩與功率計算 25
3-3 水櫃配置及容量 26
3-4 主水櫃充排水特性 27
3-5 操縱性能表 29
第四章 水動力係數估算 33
4-1 統御方程式 33
4-1-1 連續方程式 34
4-1-2 動量方程式 34
4-1-3 紊流模型 35
4-2 應用CFD軟體求解水動力係數 37
4-2-1 條件設置 37
4-2-2 網格生成 37
4-2-3 求解器 40
4-3 水動力係數計算 41
4-3-1 計算域與網格獨立性驗證 42
4-3-2 計算結果與驗證 45
4-4 供試仿擬潛艦與各模組元件流體動力係數 48
4-4-1 各模組元件流體動力係數估算結果 48
4-4-2 全艦與模組化之流體動力係數比較 52
第五章 潛艦操船模擬系統說明 62
5-1 功能說明 62
5-2 介面說明 65
5-3 輸入參數 68
5-4 輸出參數 74
第六章 操縱運動模擬與討論 76
6-1 水下直線運動 76
6-2 安定性判別 77
6-3 水下迴旋運動 78
6-4 水下垂直面運動 83
6-4-1 水櫃高、低壓排水模式模擬 83
6-4-2 水中上浮下潛運動 84
第七章 結論 87
附錄1 92
附錄2 94
附錄3 99



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