复杂外形潜水器的动力学建模

为建立复杂外形潜水器精确的动力学模型,并基于模型设计控制算法,本文以DOE HD2+2无人遥控潜水器(ROV)为对象,应用计算流体力学(CFD)粘流方法与面元法预测水动力系数。为提高计算速度,在保证计算精度的前提下,采用多面体网格,进行网格优化,减少了流体域的网格总数。由于ROV几何外形不对称,基于最小二乘法分段拟合了阻尼力/力矩与速度的曲线,建立了耦合的阻尼矩阵和附加质量矩阵。最后,基于CFD计算的水动力系数建立了Matlab Simulink动力学仿真模型,并通过水池操控实验对所建动力学模型进行了有效性验证。     

基于MRF方法和滑移网格的螺旋桨水动力性能研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,对多重参考系模型(MRF)及滑移网格模型(SM)在计算螺旋桨水动力性能时的差异进行了探讨。将以上两种模型应用到4381螺旋桨的水动力性能计算中,首先将计算得到的推力系数及转矩系数与试验数据进行了对比,考察了两种计算模型对螺旋桨的敞水性能的预测情况,并进一步对两种模型计算得到的螺旋桨盘面的速度场、桨叶的压力分布、桨后涡量云图等进行了对比分析。计算结果表明,滑移网格模型相较于多重参考系模型,对螺旋桨的推力系数的模拟结果误差更小,扭矩系数方面,两种模型的模拟结果相差不大；对于进速系数较大时,两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似,但对于高负荷情况,滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况；进速系数较小时,多重参考系模型可以模拟出涡结构的发散现象,而滑移网格模型可以更好的在高进速系数情况下捕捉到梢涡结构。     

3D Trajectory Tracking Control Platform Design for Deep Sea Open-framed Remotely Operated Vehicle based on Hydrodynamics Test

由于深海潜水器的高研发成本和海洋环境的复杂性,文章设计并开发了一个深海潜水器近海底三维轨迹跟踪控制仿真平台,仿真平台主要包括海图数据处理、海底环境生成、水下机器人建模、轨迹跟踪仿真四个主要模块.建造了1:1.6的ROV缩尺比模型,通过VPMM和LAHPMM进行了模型水动力试验,获得了相关的水动力系数,并根据潜水器的结构布置特征,建立了5自由度的潜水器运动数学模型.在Windows操作系统VC++6.0集成环境下,通过OpenGL图形开发库,搭建了该仿真平台,并进行了初步调试,获得了比较理想的模拟效果.     

系列舵翼潜艇水动力系数数值计算及试验研究

操纵性水动力系数的准确计算和测量对潜艇操纵性预报及运动控制起着至关重要的作用。文中以SUBOFF为研究对象,基于切割体网格应用STARCCM+软件完成系列舵翼艇体阻力的数值模拟;采用基于三角形网格的面元法程序和循环水槽操纵性试验2种方法获得系列舵翼缩比模型(λ=2:1)的水动力系数,并研究不同Re下舵角水动力系数的变化趋势。结果与文献[1]对比,验证了STARCCM+对潜艇阻力性能模拟的可靠性以及2种方法获取水动力系数的正确性,为潜艇水动力系数的CFD数值模拟和操纵性预报仿真提供可靠的参考依据。     

潜艇操纵水动力数值预报网格与湍流模型选取研究

针对采用计算流体力学(CFD)数值方法预报潜艇操纵水动力中,网格划分和湍流模型选择的问题。以SUBO)FF潜艇模型为对象,对不同网格分辨率的模型进行了水动力计算,对网格的收敛性进行了研究,采用五种不同湍流模型,计算得到了不同漂角下潜艇所受水动力,并和试验结果进行了比较。研究结果表明,在采用CFD数值方法预报潜艇操纵水动力时,纵向力对网格分辨率有较高要求,而侧向力和力矩对网格分辨率要求较低,在湍流模型选择上,采用标准k-ω湍流模型能够获得与试验结果更相符合的计算结果,是目前硬件条件下潜艇水动力CFD预报比较合适的一种湍流模型。     

考虑螺旋桨体积力的水下机器人水动力特性仿真

为在初步设计时预测ROV的水动力性能,使用CFD技术进行分析,以ROV模型为例,最大程度地保留ROV内部的构件,使模型更加接近真实状况。分别计算ROV在不同工况下的阻力、不同漂角下的横向力和转艏力矩以及添加体积力模型之后的螺旋桨流场状况,很好地模拟出ROV周围的流场,并与已有的试验数据进行对比。结果验证了CFD水动力仿真的可行性和准确性,并还可预测ROV在螺旋桨作用下的进速等,对ROV设计具有实际的参考价值和指导意义。     

基于CFD的全海深载人潜水器直航阻力性能研究

选用合适的CFD计算模型可以提高潜水器水动力性能研究的准确性,进而影响着潜水器的总体设计。以某全海深载人潜水器为研究对象,进行直航工况下的数值模拟,通过计算域、网格尺度等因素敏感性分析以及采用不同湍流模型下的数值模拟结果对比分析,并与实验结果进行比较,获得了适用于该潜器的CFD计算模型。通过分析,确定了前进工况中计算域的边界尺度为艇艏向前1.5倍长度,艇艉向后3倍长度,外边界距艇体2倍长度,后退工况与前进工况外边界距艇体长度相同,其余相反;通过网格敏感度分析找到了数值模拟最合适的网格数,大约在230万左右。研究发现,该潜器前进方向进行数值模拟使用Realizablek-ε湍流模型更加合适,后退方向使用Standard k-ε湍流模型。这项研究为进一步开展该潜器详细计算和优化设计打下基础,也可为其他潜水器数值分析提供参考。     

螺旋桨在均匀流场中的非定常水动力数值模拟

采用滑移网格技术,使用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟均匀流场中的螺旋桨非定常水动力性能.为了真正实现螺旋桨的旋转运动,在计算过程中采用定长多运动参考系模型计算出初始流场,再用滑移网格模型完成整个计算.数值计算得到的推力系数和转矩系数与实验结果吻合良好,验证了该方法应用于螺旋桨水动力性能研究的可行性.     

基于滑移网格技术计算螺旋桨水动力性能研究

基于RANS方程的CFD软件数值模拟螺旋桨定常和非定常的水动力性能.定常计算采用多重参考系MRF模型,分别采用标准k-ε的湍流模型,RNG k-ε湍流模型和Reliable k-ε湍流模型模拟在不同进速系数时的推力系数和转矩系数.将模拟的数值结果与试验值相比较,计算结果表明,采用Reliable k-ε湍流模型计算出的推力系数与转矩系数与试验值基本吻合,并以该结果为初始场,通过滑移网格技术,采用单机并行计算螺旋桨非定常水动力性能.相较于定常计算结果更加接近试验值,说明滑移网格技术具有更高的精准度,更加适用于计算螺旋桨的水动力性能.     

基于CFD的船舶水动力计算收敛性分析

为基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的单体船型水动力性能计算参数提供参考依据,开展相关的收敛性分析。采用CFD数值计算,分析网格尺度、湍流模型和时间步长对于船舶水动力计算的收敛性影响,提出基于CFD的船舶水动力计算优化参数模型,并以水池模型试验验证所提方案的准确性。采用船长2.83%的非结构化网格进行流体计算域网格划分,采用Realizable k-ε湍流模型,计算时间步长取波浪遭遇周期Te的1/200,可更加合理地模拟船舶在规则波中的运动响应,为基于CFD的船舶阻力与耐波性计算提供确定依据。     

复杂形体远程操控水下运载器水动力阻尼模型建模和检验(英文)

In this paper,numerical modeling and model testing of a complex-shaped remotely-operated vehicle(ROV) were shown.The paper emphasized the systematic modeling of hydrodynamic damping using the computational fluid dynamic software ANSYS-CFXTM on the complex-shaped ROV,a practice that is not commonly applied.For initial design and prototype testing during the developmental stage,small-scale testing using a free-decaying experiment was used to verify the theoretical models obtained from ANSYS-CFXTM.Simulation results are shown to coincide with the experimental tests.The proposed method could determine the hydrodynamic damping coefficients of the ROV.     

微型开架式水下机器人水动力系数测定

水下机器人水动力系数的准确测定,是对机器人运动进行仿真和控制的前提。以形状复杂的开架式有缆水下机器人(ROV)作为研究对象,通过一系列水动力试验,计算出适用于开架式水下机器人模型的几个重要的实时水动力系数,为自主遥控水下机器人(ARV)的运动仿真提供了数据支撑,进而为ARV的控制奠定了基础。     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

一种基于CFD的水动力系数计算新方法(英文)

Applications of computational fluid dynamic (CFD) to the maritime industry continue to grow with the increasing development of computers. Numerical approaches have evolved to a level of accuracy which allows them to be applied for hydrodynamic computations in industry areas. Hydrodynamic tests, especially planar-motion-mechanism (PMM) tests are simulated by CFD software -FLUENT, and all of the corresponding hydrodynamic coefficients are obtained, which satisfy the need of establishing the simulation system to evaluate maneuverability of vehicles during the autonomous underwater vehicle scheme design stage. The established simulation system performed well in tests.     

Estimation of the hydrodynamic coefficients of the complex-shaped autonomous underwater vehicle TUNA-SAND

Hydrodynamic coefficients strongly affect the dynamic performance of autonomous underwater vehicles (AUVs). Thus it is important to have the true values of the coefficients in order to simulate the AUV’s dynamic performance accurately. Although these coefficients can be predicted by many methods, most are only applicable for AUVs with streamlined shapes. Computational fluid dynamics (CFD) can be applied to estimate the hydrodynamic coefficients of AUVs with complex shapes. In this study, CFD was applied to estimate the hydrodynamic coefficients of the AUV TUNA-SAND (which stands for terrain-based underwater navigable AUV for seafloor and natural resources development), which has a complex block-like structure. First, the validity of the CFD simulation was verified by comparison with experimental results. Second, the relationships between hydrodynamic loads and motions for all six degrees of freedom were analyzed using the simulated results. Third, the importance of each hydrodynamic coefficient was investigated based on these relationships. There are 16 key damping coefficients that relate to viscosity and 12 key inertial coefficients that relate to the potential flow around TUNA-SAND. Finally, the values of all the key coefficients were obtained and verified by comparing the solutions of the simulated dynamics with the experimental results.     

参数不确定及有扰动的情况下欠驱动遥控无人潜水器鲁棒性建模、滑模控制及仿真研究（英文）

A dynamic model of a remotely operated vehicle(ROV) is developed. The hydrodynamic damping coefficients are estimated using a semi-predictive approach and computational fluid dynamic software ANSYS-CFX~(?) and WAMIT~(?). A sliding-mode controller(SMC) is then designed for the ROV model. The controller is subsequently robustified against modeling uncertainties,disturbances, and measurement errors. It is shown that when the system is subjected to bounded uncertainties, the SMC will preserve stability and tracking response. The paper ends with simulation results for a variety of conditions such as disturbances and parametric uncertainties.     

水下拖曳系统水动力特性的计算流体力学分析

提出了一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由Ablow andSchechter模型给出,Gertler and Hargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合,从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。在研究中,拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近,每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体,或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果的比较表明,所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。利用所提出的水动力模型,对华南理工大学提出的自主稳定可控制水下拖曳体在实际海况下的数值模拟结果显示,所分析的拖曳体具有良好的运动与姿态稳定性,是一种值得开发研究的新型水下拖曳体。     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

水下机器人传感器故障诊断的灰色预测模型

将灰色预测GM(1,1)原理引入到水下机器人传感器的故障诊断中,对传感器样本数据序列建立灰色动态预测型。通过对该模型输出信号与实际输出之间误差的分析,实时检测传感器的故障。针对Outland 1000无人水下机器人中的方向传感器,应用该方法对该传感器的三种典型故障模式进行了故障检测实验,结果表明所提故障检测方法准确可靠。