CN114186508A - 一种基于cfd软件的水下航行器水动力系数测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下航行器技术领域，旨在提供一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法。包括：建立水下航行器的外轮廓3D模型，进行优化处理后导入CFD软件中；建立流场模型，对于变速和旋转运动中需额外建立重叠网格模型；设定区域和边界条件后划分网格，建立六自由度DFBI运动体；根据模拟运动的类型给予自由度，分别进行各个自由度上的匀速平移运动、变速平移运动、旋转运动的模拟，并记录相关动力学参数；对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、速度/角速度、加速度/角加速度，应用MATLAB软件进行曲线拟合与曲面拟合，得到相应的水动力系数。本发明步骤简便，可重复性高；稳定可靠，结果准确；门槛低，易于实现；应用范围广，能实现跨介质参数计算。

Description

一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法。

背景技术

水下航行器是一种集成微电子、计算机、控制学、能源、通信技术等高新技术的海洋智能装备。与地面或空中载具相比，水下航行器所处的工作环境恶劣多变，对控制系统的设计要求也更为严苛。具体表现为：1)需要考虑水下环境在各个自由度上的干扰；与其他介质相比，水下扰动易随时间发生大幅变化，和航行器的速度之间也存在较强的非线性关系。2)水下航行器的推进系统多具有欠驱动性，其独立的控制输入数少于自由度数，使得状态之间通常带有很强的耦合关系。3)静不稳定性，对大多数水下航行器来说，控制输入为零时，航行器无法保持在平衡位置。

精确的动力学模型是控制方案能理想运行的前提，在水下航行器的动力学模型构建中，主要难题在于水动力系数的确定。水动力系数由附加质量系数和阻力系数组成，其中阻力系数又可细分为线性与非线性两部分。目前已有的测算方法可分为经验分析法(ASE)、实验法(EFD)与计算流体力学法(CFD)。经验分析法的计算过程繁杂，仅适用于结构简单的航行器，当航行器结构过于复杂时测算精度会大大降低。实验法成本较高，需要专业的设备和严苛的测试环境，且耗时较长。近年来随着硬件水平的不断提高，越来越多研究机构开始使用CFD软件测算水动力系数，这种方式较为简便易行，但目前原理和方法并不统一，通常需要专业仪器条件，对设计人员也要求具备高等流体力学知识，因此难以推广。

随着对海洋发展战略的重视与水下航行器技术的发展，目前迫切需要一种能够有效且便利的水下航行器水动力系数测算方法，不仅可以提高控制器的工作效率，还能够有效推进数字化设计的进程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法。

为解决技术问题，本发明所采取的技术方案是：

提供一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法，包括以下步骤：

(1)建立水下航行器的外轮廓3D模型，进行优化处理后导入CFD软件中；

(2)建立流场模型，对于变速和旋转运动中需额外建立重叠网格模型；

(3)设定区域和边界条件后划分网格，建立六自由度DFBI运动体；根据模拟运动的类型给予自由度，分别进行各个自由度上的匀速平移运动、变速平移运动、旋转运动的模拟，并记录相关动力学参数；

(4)对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、速度/角速度、加速度/角加速度，应用MATLAB软件进行曲线拟合与曲面拟合，得到相应的水动力系数。

本发明中，步骤(1)中所述优化处理包括：

(1.1)填充模型内部的中空结构；

(1.2)填充模型表面的细微孔洞；

(1.3)将螺旋桨结构替换为桨叶旋转轨迹的包络面。

本发明中，所述步骤(2)包括：

(2.1)在CFD软件中搭建流场和水下航行器的静态网格模型；

(2.2)对于变速运动模拟，额外绘制一个包裹水下航行器模型的小型几何体；将该小型几何体与水下航行器模型做substract的布尔运算，得到重叠网格模型；该重叠网格模型的主体为小型几何体，其内部空腔具有水下航行器的轮廓；

(2.3)在CFD软件中设置水下环境的介质参数，并划分控制体区域。

本发明中，所述步骤(3)包括：

1)使用静网格模拟匀速平移运动，对速度进口设定不同的来流速度，记录稳定后水下航行器所受的合外力；

2)使用重叠网格模拟变速平移运动，将流场的边界面设置为壁面，对水下航行器施加不同大小的控制力，读数稳定后，记录不同时刻下的速度与加速度；

3)使用重叠网格模拟旋转运动，对水下航行器施加不同大小的控制力矩，读数稳定后，记录不同时刻下的角速度与角加速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明步骤简便，可重复性高。本发明仅需要水下航行器的3D模型和一台电子计算机即可完成全部的测算过程，在一次测算流程结束后简单修改参数即可进行验证或继续下一步的仿真。

2、本发明稳定可靠，结果准确。本发明结合水下航行器的六自由度动力学模型，对CFD软件测算水动力系数的方法进行系统性的改进和整理，将各个参数之间计算尽可能独立，提高结果的准确度。

3、本发明门槛低，易于实现。本发明不需要设计人员有专业的高等流体力学知识，仅需掌握基本的单自由度动力学方程即可完整全部计算过程。

4、本发明应用范围广。本发明不但可以应用于各种形状的水下航行器，通过在CFD软件中设定不同的环境介质，还能实现空气介质和水空跨介质中的参数计算。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是静网格模型的示意图；

图3是重叠网格模型的示意图；

图4是静网格水动力系数测算流程图；

图5是重叠网格水动力系数测算流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明：

图2为本发明方法的静网格模型示意图，中间鱼雷形状为水下航行器示意模型，外部六面体为流场模型示意图；图3为重叠网格示意图，与静网格不同，水下航行器模型外的小六面体为重叠网格范围。需要指出的是，水下航行器在实际运行时所使用的坐标系多为北东地坐标系，即z轴指向下。而在大部分CFD软件中，坐标系的z轴指向上，本发明不涉及水下航行器的坐标变换及导航，为简便起见，将坐标系指向调整为与CFD软件一致。由于水动力系数均为标量，本方法所得的水动力系数结果在具体的动力学建模中可代入任意坐标系的动力学方程，对正确性并无影响。图4和图5为数值计算流程，所有数值处理可在MATLAB中完成，其中曲线拟合与曲面拟合可使用CFTOOL工具箱。本发明方法的具体实现软件为starCCM+，其余CFD软件亦可使用。具体步骤如下：

1)在solidworks或其他CAD软件中绘制水下航行器的外轮廓3D结构。为提高计算效率先对模型进行优化处理。例如，对模型内部中空结构部分和表面细微孔洞(如螺纹孔等)做填充处理；将螺旋桨结构替换成桨叶旋转轨迹的包络面。将优化后的模型导入CFD软件中；

2)在CFD软件中搭建水下航行器的静态网格模型，并参考水下航行器的模型大小绘制对应流场。对于变速模拟运动和旋转运动，需要额外绘制一个包裹航行器模型的小型几何体，并将此小型几何体与水下航行器模型做substract的布尔运算，得到重叠网格模型；该重叠网格模型的主体为小型几何体，其内部空腔具有水下航行器的轮廓；小型几何体的形状可任意设定，具体可根据航行器的形状与运动方向作调整。

3)在CFD软件中设置介质参数，以水下环境为例，启用模型中的重力、IAPWS-IF97、K-Epsilon湍流、雷诺平均纳维-斯托克斯选项。然后划分控制体区域：在z轴平移运动的模拟中，设定图2六面体的上表面(来流面)为速度进口，下表面(对立面)为压力出口，流场的其余面设定为壁面，在重叠网格模型中，小型几何体的表面设定为重叠网格面，水下航行器表面设定为壁面。

4)对流场和重叠网格模型划分网格，例如可选择切割体网格单元生成器下的棱柱层网格生成器。在CFD软件中建立六自由度DFBI运动体，体表面选为水下航行器表面。根据模拟运动的类型给予自由度，分别进行各个自由度上的匀速平移运动、变速平移运动、旋转运动的模拟，并记录相关动力学参数。

本发明中，使用静网格模拟匀速平移运动，对速度进口设定不同的来流速度，记录稳定后水下航行器所受的合外力；使用重叠网格模拟变速平移运动，将流场的边界面设置为壁面，对水下航行器施加不同大小的控制力，读数稳定后，记录不同时刻下的速度与加速度；使用重叠网格模拟旋转运动，对水下航行器施加不同大小的控制力矩，读数稳定后，记录不同时刻下的角速度与角加速度。

本发明所提及的匀速平移运动与变速平移运动统称为平移运动，其特点为航行器在运动时不发生姿态角的改变，且运动方向与航行器机体坐标系坐标轴保持平行；所提及的旋转运动，其特点为航行器在运动时不发生位置的改变，旋转轴与航行器机体坐标系坐标轴平行，且一般经过航行器的重心或浮心，具体位置需要结合航行器运动特点考虑。

然后，对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、速度/角速度、加速度/角加速度，应用MATLAB软件进行曲线拟合与曲面拟合，得到相应的水动力系数。具体地：

5)对于匀速平移运动：

在速度进口中设定来流速度为0，在CFD软件中测定稳定时水下航行器所受的合外力F_z。此时，由于水下航行器仅受恢复力影响，此时F_z等效为水下航行器所受的恢复力。即F_z＝B-G，B和G分别为水下航行器所受的浮力和重力。

设定不同的来流速度，此时速度矢量的相反矢量可等效为水下航行器在z轴进行匀速平移的速度矢量w。测定不同速度w下的F_z。

式中各符号的含义：m为水下机器人质量，Z为z轴方向上的控制力，Z_w和Z_|w|w分别为水下航行器在z轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，|w|为速度的绝对值，

为加速度，

为水下航行器在z轴平移自由度的附加质量系数；

在匀速运动的模拟中，由于Z＝0，

故水下航行器只受阻力与恢复力作用，即F_z＝(B-G)-(Z_w+Z_|w|w|w|)w。以F_z做纵坐标，w做横坐标进行曲线拟合即可计算阻力系数。当速度ω较小时，线性阻力占阻力的主要部分，而当速度w较大时，非线性阻力的快速提升使得线性阻力所占比重近平可以忽略，因此需要对小速度和大速度两种情况下的运动进行单独的曲线拟合，先计算线性阻力系数，将这一值返回后，再计算非线性阻力系数。通常情况下，定义小速度为＜0.1m/s，大速度为＞0.1m/s。

具体操作示例：在MATLAB的CFTOOL工具箱中，根据F_z＝(B-G)-(Z_w+Z_|w|w|w|)w进行曲线拟合。横坐标为w，纵坐标为F_z，拟合类型设置为polynomial，指数设置为2，常数项为B-G，线性项为Z_w，二次方项为Z_|w|w。在拟合过程中，先对速度较小的点进行单独拟合，得到Z_w，然后再将Z_w的值返回，拟合所有点，得到Z_|w|w。

6)对于变速平移运动：

先在CFD软件中搭建流场和水下航行器的重叠网格模型，给予水下航行器z轴上的平移自由度，将流场所有面设置为壁面；然后在重叠网格模型中对水下航行器施加不同的控制力Z，分别记录不同时刻下的w与

将计算出的阻力系数代入公式(1)，求平均数后即可计算附加质量系数

7)在不同坐标轴上重复步骤5)-6)，使用式(2)和式(3)可测算出x轴与y轴平移自由度上的水动力系数；

式中各符号的含义：X为x轴方向上的控制力，X_u和X_|u|u分别为水下航行器在x轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，u与

分别为该方向上的速度与加速度，|u|为该速度的绝对值，

为水下航行器在x轴平移自由度的附加质量系数；同理，Y为y轴方向上的控制力，Y_v和Y_|v|v分别为水下航行器在y轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，v与

分别为该方向上的速度与加速度，|v|为该速度的绝对值，

为水下航行器在y轴平移自由度的附加质量系数。

8)对于旋转运动：

在CFD软件中搭建流场和水下航行器的重叠网格模型，给予水下航行器z轴上的旋转自由度，施加固定的控制力矩N，读数稳定后测算若干组水下航行器的角速度r与角加速度

9)改变N后重复步骤8)，以r为x轴，

为y轴，N为z轴，住MATLAB的CFTOOL工具箱中，根据式(4)进行曲线拟合：

式中各符号的含义：I_z为水下航行器对z轴的转动惯量；

为z轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；N_r和N_|r|r分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数，|r|为z轴上角速度绝对值。

具体操作示例：拟合类型设置为polynomial，x轴指数设置为2，y轴指数设置为1，常数项与x*y项系数设置为0，x轴线性项为N_r，x轴平方项为N_|r|r，y轴线性项为

在该曲面拟合中，也需要对小角速度和大角速度的情况进行单独拟合，以减小误差。先对速度较小的点进行单独拟合，得到N_r，然后再将N_r的值返回，拟合所有点，得到N_|r|r和

10)在不同的坐标轴上重复步骤8)-9)，使用式(5)和式(6)可测算出x轴与y轴旋转自由度上的水动力系数：

式中各符号的含义：I_x为水下航行器对x轴的转动惯量；K为x轴上控制力矩；K_p和K_|p|p分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数；

为x轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；p与

分别为x轴上旋转的速度与加速度；|p|为x轴上角速度绝对值。同理，I_y为水下航行器对y轴的转动惯量；M为y轴上控制力矩；M_q和M_|q|q分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数；

为y轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；q与

分别为y轴上旋转的速度与加速度；|q|为y轴上角速度绝对值。

Claims (7)

1.一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数测算方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立水下航行器的外轮廓3D模型，进行优化处理后导入CFD软件中；

(2)建立流场模型，对于变速和旋转运动中需额外建立重叠网格模型；

(3)设定区域和边界条件后划分网格，建立六自由度DFBI运动体；根据模拟运动的类型给予自由度，分别进行各个自由度上的匀速平移运动、变速平移运动、旋转运动的模拟，并记录相关动力学参数；

(4)对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、速度/角速度、加速度/角加速度，应用MATLAB软件进行曲线拟合与曲面拟合，得到相应的水动力系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述优化处理包括：

(1.1)填充模型内部的中空结构；

(1.2)填充模型表面的细微孔洞；

(1.3)将螺旋桨结构替换为桨叶旋转轨迹的包络面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(2.1)在CFD软件中搭建流场和水下航行器的静态网格模型；

(2.2)对于变速运动模拟，额外绘制一个包裹水下航行器模型的小型几何体；将该小型几何体与水下航行器模型做substract的布尔运算，得到重叠网格模型；该重叠网格模型的主体为小型几何体，其内部空腔具有水下航行器的轮廓；

(2.3)在CFD软件中设置水下环境的介质参数，并划分控制体区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.3)中，将流场的来流面设置为速度进口，对立面设置为压力出口，流场的其余面设定为壁面；在重叠网格模型中，小型几何体的表面设定为重叠网格面，水下航行器表面设定为壁面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

1)使用静网格模拟匀速平移运动，对速度进口设定不同的来流速度，记录稳定后水下航行器所受的合外力；

2)使用重叠网格模拟变速平移运动，将流场的边界面设置为壁面，对水下航行器施加不同大小的控制力，读数稳定后，记录不同时刻下的速度与加速度；

3)使用重叠网格模拟旋转运动，对水下航行器施加不同大小的控制力矩，读数稳定后，记录不同时刻下的角速度与角加速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，对于平移运动，包括以下内容：

(4.1)在速度进口中设定来流速度为0，在CFD软件中测定稳定时水下航行器所受的合外力F_z；此时F_z等效为水下航行器所受的恢复力；即F_z＝B-G，B和G分别为水下航行器所受的浮力和重力；

(4.2)设定不同的来流速度，此时速度矢量的相反矢量等效为水下航行器在z轴进行匀速平移的速度矢量w，测定不同w下的F_z；

式中各符号的含义：m为水下机器人质量，Z为z轴方向上的控制力，Z_w和Z_|w|w分别为水下航行器在z轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，|w|为速度的绝对值，

为加速度，

为水下航行器在z轴平移自由度的附加质量系数；

(4.3)在匀速平移运动的模拟中，由于Z＝0，

故水下航行器只受阻力与恢复力作用，即F_z＝(B-G)-(Z_w+Z_|w|w|w|)w；以F_z做纵坐标，w做横坐标进行曲线拟合即可计算阻力系数；

(4.4)在变速平移运动的模拟中，需要在CFD软件中先搭建水下航行器的重叠网格模型，给予水下航行器z轴上的平移自由度，将流场所有面设置为壁面；然后在重叠网格模型中对水下航行器施加不同的控制力Z，分别记录不同时刻下的w与

将计算出的阻力系数代入公式(1)，求平均数后即可计算附加质量系数

(4.5)在不同坐标轴上重复步骤(4.1)-(4.4)，使用式(2)和式(3)测算出x轴与y轴平移自由度上的水动力系数；

式中各符号的含义：X为x轴方向上的控制力，X_u和X_|u|u分别为水下航行器在x轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，u与

分别为该方向上的速度与加速度，|u|为该速度的绝对值，

为水下航行器在x轴平移自由度的附加质量系数；同理，Y为y轴方向上的控制力，Y_v和Y_|v|v分别为水下航行器在y轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数，v与

分别为该方向上的速度与加速度，|v|为该速度的绝对值，

为水下航行器在y轴平移自由度的附加质量系数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，对于旋转运动，包括以下内容：

(5.1)在CFD软件中搭建流场和水下航行器的重叠网格模型，给予水下航行器z轴上的旋转自由度，施加固定的控制力矩N，读数稳定后测算若干组水下航行器的角速度r与角加速度

(5.2)改变N后重复步骤(5.1)，以r为x轴，

为y轴，N为z轴，在MATLAB的CFTOOL工具箱中，根据式(4)进行曲线拟合：

式中各符号的含义：I_z为水下航行器对z轴的转动惯量；

为z轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；N_r和N_|r|r分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数，|r|为z轴上角速度绝对值；

(5.3)在不同的坐标轴上重复步骤(5.1)-(5.2)，使用式(5)和式(6)测算出x轴与y轴旋转自由度上的水动力系数：

式中各符号的含义：I_x为水下航行器对x轴的转动惯量；K为x轴上控制力矩；K_p和K_|p|p分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数；

为x轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；p与

分别为x轴上旋转的速度与加速度；|p|为x轴上角速度绝对值；同理，I_y为水下航行器对y轴的转动惯量；M为y轴上控制力矩；M_q和M_|q|q分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数；

为y轴上旋转自由度的附加质量系数，亦称附加转动惯量系数；q与

分别为y轴上旋转的速度与加速度；|q|为y轴上角速度绝对值。

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