带缆水下机器人控制仿真模拟与水动力分析

本文以Fluent多重滑移网格技术对带缆水下机器人系统进行路径跟踪的仿真计算,将收放缆反馈控制与PID算法调节螺旋桨转速的双重控制策略应用于带缆水下机器人系统,并对带缆水下机器人系统升沉运动的控制误差、螺旋桨推力与转速之间的关系、缆绳系统的张力特性以及水下机器人的水动力响应做了分析。文中数值模拟结果表明,双重控制策略下,带缆水下机器人路径跟踪的控制运动较为精确,其升沉运动位移最大误差约为0.2 m;螺旋桨的转速与推力呈正相关性,转速越大,推力也越大;水下机器人沿预定轨迹运动过程中,缆绳系统张力呈现周期性震荡的变化规律,机器人主体受到的水动力荷载与多种因素相关。     

带缆遥控水下机器人水动力数学模型及其回转运动分析

提出了一种新型的带缆水下机器人系统三维水动力数学模型。在该模型中脐带缆的控制方程由脐带缆任一微段中的力的平衡条件导出,在此基础上以该脐带缆的控制方程为核心,通过引入脐带缆与水下机器人连接点的边界条件而建立起整个系统的三维水动力学数学模型。数值模拟中作用在机器人主体上的水动力载荷和旋转导管螺旋桨的控制力在考虑了它们之间的相互影响基础上以计算流体力学方法求出。该模型的主要特点是克服了现有的带缆水下机器人系统水动力数学模型将系统各组成部分割裂处理、缺乏从系统整体理论框架中去观察脐带缆、水下机器人主体和螺旋桨推进器水动力特征的缺陷,从一种综合、整体的观点去观察分析带缆遥控水下机器人的动力状态。水下机器人在导管螺旋桨作用下回转运动的数值模拟结果表明,利用所建立的数学模型可以对带缆水下机器人水动力状态进行有效的数值模拟。     

基于动网格技术研究海流对水下机器人运动特性的影响

利用Fluent提供的六自由度求解器,采用动网格技术,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N-S方程,研究受海流影响下的水下机器人运动特性。数值计算结果表明:采用动网格技术进行六自由度运动模拟可以获得海流对水下机器人运动特性的影响;随着海流速度的增加,水下机器人运动的不稳定性逐渐增加,在运动后期会出现明显的偏航,且发生偏航的距离点随着海流速度的增加而提前;随着推力的增加,位移轨迹曲线的曲度逐渐减小,逐渐由曲线过渡为直线。     

水下潜器回转运动状态下的推力特性研究

采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型,运用动网格与滑移网格技术,利用计算流体力学的方法模拟水下潜器做回转运动时导管螺旋桨的推力特性。其中对回转运动过程的数学模型进行分析,通过编写UDF对水下潜器回转运动方式进行控制。计算结果表明:本文提出的回转运动数学模型可以实现水下潜器的回转运动,对数值模拟结果的分析可以得知导管螺旋桨所产生的推力是趋于周期稳定变化的,由于回转运动的单向性,两侧导管螺旋桨所产生的推力值不相等,主要原因在于水下潜器主体以及来流等模拟环境条件的影响。     

多种运动模式下水下机器人导管螺旋桨的敞水性能研究

导管螺旋桨具有较大的推进力以及高效的姿态调整功能,能极大地提高水下机器人的推进效率。为了探索水下机器人运行时桨叶的振动、推力的产生和噪声的来源,文中利用计算流体动力学研究了直航、斜航和后退等多种运动模式下导管螺旋桨的推力系数、转矩系数和推进效率等敞水性能,并对螺旋桨弦向压力分布、桨叶表面的压力分布和速度分布分别进行了仿真研究,这些结果对工程实践中导管螺旋桨的选择具有重要的指导意义。     

水下机器人逆向运动时导管螺旋桨推力特性的模拟

采用动网格和滑移网格混合技术,运用弹簧光顺和局部网格重构的组合式网格更新方式,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N-S方程。数值计算结果表明:采用动网格和滑移网格混合技术模拟水下机器人系统水动力是可以获得正确结果的;水下机器人系统在逆向运动、螺旋桨反转时,由于主体对水流的阻塞作用和外扩作用,使得后桨、左桨和右桨所处区域的水流轴向速度偏小,造成后桨、左桨和右桨所发出的推力都较单桨大。     

三维回转运动条件下水下潜器系统导管螺旋桨推力特性研究

采用多重重叠网格技术模拟一对称立式水下潜器在三维回转运动过程中水下潜器系统及其系统中导管螺旋桨的水动力特性,提出一种水下潜器三维回转运动数值计算模型,通过指定叠加运动来控制螺旋桨的旋转来对水下潜器的三维回转运动方式进行操纵.计算结果表明:提出的水下潜器三维回转运动数值计算模型可以预报水下潜器三维回转运动的动力状态;水下...     

水下机器人进行逆向运动时导管螺旋桨推力特性的模拟*

采用动网格与滑移网格混合技术,运用弹簧光顺与局部网格重构的组合式网格更新方式,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N—S方程。数值计算结果表明：采用动网格与滑移网格混合技术在模拟水下机器人系统水动力上是可以获得正确结果的；水下机器人系统在逆向运动、螺旋桨反转时,由于主体对水流的阻塞作用和外扩作用,使得后桨、左桨、右桨所处区域的水流轴向速度偏小,造成后桨、左桨、右桨所发出的推力都较单桨大。     

海流干扰下水下机器人快速动态响应的控制方法

为清晰掌握水下机器人的响应运动状态,提出海流干扰下水下机器人的快速动态响应控制方法。利用平面坐标系,确定机器人的主体运动方程,完成海流干扰下水下机器人的运动建模。在此基础上,通过计算海流动力混编结果的方式,换算水下机器人的响应控制推力,并确定动态响应边界条件,完成海流干扰下水下机器人快速动态响应控制方法的搭建。对比实验结果表明,与现有技术手段相比,应用新型控制方法后,水下机器人响应运动速度曲线、加速度曲线与理想曲线间的差值明显缩小,整体响应运动状态得到清晰描述。     

水下潜器系统导管螺旋桨水动力特性及周围流场分布预报与分析

运用计算流体力学方法对水下潜器系统中导管螺旋桨在水下潜器转艏运动中螺旋桨周围的水动力现象进行观察,对在这样的工况下导管螺旋桨周围流场特征、进速、诱导速度、推力沿盘面和桨叶径向的分布,以及螺旋桨所发出的推力与螺旋桨周围流场之间的关系进行观察。计算结果表明:在一定的螺旋桨转速条件下,进速越小,螺旋桨所发出的推力也越大;由于导管出口处激发出的梢泄涡作用,导致盘面后叶梢附近轴向诱导速度降低、压力增大,该处叶面与叶背之间的压差也随之增大;螺旋桨的推力沿桨叶径向的分布呈现出半径越大,所产生的推力也越大的特点。     

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。     

圆碟形上浮结构水平运动稳定性仿真分析

以圆碟形上浮结构为研究对象，介绍其水动力性能研究现状，并使用计算流体力学方法分析圆碟形结构的水平方向阻力性能，进而对比2种不同主动推力模拟方法下的圆碟形结构的水平运动稳定性。同时，针对复杂海洋环境中该结构受复杂海流冲击可能造成的倾覆，进行了海流影响下的模拟分析，结果表明，圆碟形水下上浮结构具有较低的阻力，在受主动推力及海流影响下能保持良好的运动稳定性，这为预报圆碟形结构水动力性能和运动情况提供了参考。     

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.     

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.     

导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究

为了研究导管螺旋桨的推力、扭矩和敞水效率等主要水动力参数和进速系数之间的关系,本文采用物理模型试验和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术相结合的方式分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。首先在本校拖曳水池开展导管螺旋桨模型的敞水性能试验然后使用计算流体软件STAR-CCM+对导管桨模型进行数值模拟。在模拟计算中应用多参考系法（Multi Reference Frames,MRF）,分别采用不同湍流模型对导管螺旋桨的水动力性能进行计算,并与试验数据进行对比,验证了STAR-CCM+软件模拟可以对导管螺旋桨的水动力性能进行有效预报且使用SST k-ω湍流模型获得的水动力性能精度更高。研究结果表明,导管螺旋桨更适用于在低进速系数下工作的重载船舶。     

冰对螺旋桨水动力性能影响的试验研究

为了探究螺旋桨-冰相互作用过程中螺旋桨水动力性能的变化,研究了非冻结模型冰在轴向运动时螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离以及螺旋桨不同进速系数的变化规律,以及非冻结模型冰在横向和垂向运动时螺旋桨推力和扭矩的变化规律。试验结果表明,螺旋桨在阻塞状态下推力和扭矩的值与敞水实验值相比显著增加;螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离的减小,先逐渐增加后增加值不稳定;非冻结模型冰在横向运动时螺旋桨推力不变,扭矩表现为在横向右端时最大;非冻结模型冰沿垂向运动时越往下运动螺旋桨推力和扭矩越大;区分了非冻结模型冰极端尾涡和螺旋桨-冰之间距离对螺旋桨水动力性能的影响。文中的试验设计和相关结论对于螺旋桨-冰相互作用的进一步研究有着一定的指导意义。     

螺旋桨水动力载荷计算与验证

以实现对螺旋桨敞水性能的准确模拟,为螺旋桨结构计算提供准确可靠的水动力载荷为目标,首先依据螺旋桨的投影原理及型值参数,建立螺旋桨的三维几何模型;其次,以单通道的分区混合网格划分方法,建立了螺旋桨水动力载荷计算的网格模型,并分别采用三种湍流封闭模型计算螺旋桨水动力载荷。结果表明:计算所得螺旋桨的推力系数、转矩系数在设计点附近的误差可以保证控制在5%以内,可为后续螺旋桨流固耦合计算提供可靠的水动力载荷。     

基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟

为了研究特种推进器导管桨在非定常下的水动力性能,本文提出一种基于重叠网格的方法,实现了导管桨旋转过程中的非定常水动力性能仿真高精度模拟。本文通过求解RANS方程,采用湍流模型Realizableκ-ε,借助新款计算流体软件STARCCM+,应用重叠网格技术和MRF模型分别计算了导管桨在非定常与定常时的水动力性能,分析了压力流场细节,并与已有试验值进行对比,验证了采用重叠网格技术和STAR CCM+流体软件应用于导管桨非定常和定常水动力性能计算的可靠性。研究结果表明,应用重叠网格技术获得的非定常水动力性能的计算精度更高,尤其是在螺旋桨的推力和扭矩方面。     

基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟

为了研究特种推进器导管桨在非定常下的水动力性能,本文提出一种基于重叠网格的方法,实现了导管桨旋转过程中的非定常水动力性能仿真高精度模拟。本文通过求解RANS方程,采用湍流模型Realizableκ-ε,借助新款计算流体软件STAR CCM+,应用重叠网格技术和MRF模型分别计算了导管桨在非定常与定常时的水动力性能,分析了压力流场细节,并与已有试验值进行对比,验证了采用重叠网格技术和STAR CCM+流体软件应用于导管桨非定常和定常水动力性能计算的可靠性。研究结果表明,应用重叠网格技术获得的非定常水动力性能的计算精度更高,尤其是在螺旋桨的推力和扭矩方面。     

基于改进体积力法的导管螺旋桨水动力性能数值研究北大核心CSCD

[目的]旨在解决传统Goldstein体积力法在导管螺旋桨水动力仿真中的适用局限性问题。[方法]首先,基于机翼理论,分析导管水动力模拟失真的原因,并以质量流量和体积力分布模型为切入点,提出修正思想和方法;然后,采用RANS方法探究经质量流量修正后的2种体积力分布模型的模拟精度。[结果]结果显示,2种改进体积力法在敞水工况下其总推力系数的平均相对误差均为5%左右;在艇后工况下,前进合力的平均相对误差分别为1.8%和11.6%。[结论]研究表明,基于改进体积力法的导管螺旋桨在敞水和艇后工况下的模拟精度较传统体积力法有较大的提升,能准确实现对导管螺旋桨水动力性能的数值模拟,可为水下航行器高效、动态的操纵性仿真奠定基础。