一种获取水下航行器直航附加质量方法技术

本发明专利技术提出一种获取水下航行器直航附加质量方法，包括：A、AUV模型导入；B、网格划分；C、网格独立性验证，获得较优网络；D、进行时间步长独立性验证，获得较优的瞬态仿真时间步长；E、网格导入；F、将UDF程序编译并导入fluent中进行瞬态仿真。本发明专利技术与传统的基于动网格的CFD方法不同，该方法不需要使用动网格，通过改变流体速度模拟AUV变速的过程，监控阻力值并通过计算求解附加质量。本发明专利技术在保证计算精度的同时降低了网格要求且极大的提升了计算速度。为验证本发明专利技术准确性，对标准椭圆球分别进行CFD仿真及理论计算。本发明专利技术得到的附加质量值与理论计算值偏差小于3％，说明在设计初期，用该方法计算任意外形的AUV直航方向的附加质量结果可靠。量结果可靠。量结果可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种获取水下航行器直航附加质量方法


[0001]本专利技术属于船舶与海洋工程
，具体涉及一种水下航行器直航附件质量的求取方法。

技术介绍

[0002]水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种常用于海洋探测、监察的非标设备。AUV会根据用户使用需求而对壳体进行定制，因此AUV外形不一。为了更好地操纵AUV，就必须先了解其在水中的操纵性。附加质量是物体在理想流体中作非定常运动是所受到的水动力，是潜艇操纵性的其中一个参数。
[0003]获得非标AUV附加质量的方法有EFD(Empirical Fluid Dynamics，经验流体力学),CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)、Hess
‑
Smith面元法和水下实验。其中水下实验是最准确的方法，但成本高、耗时长。而EFD只能计算标准形状的附加质量。Hess
‑
Smith面元法计算附加质量的精度满足工程应用需求，但程序代码复杂，较难快速上手。
[0004]ANSYS是成熟的流体CFD仿真软件，能用于计算附加质量，常见的利用ANSYS FLUENT计算附加质量使用了动网格技术，分别模拟物体在水中做规律的正弦运动和水平匀加速直线运动，并通过分析仿真所得数据求得直航方向附加质量。由于需要使用动网格技术，网格质量对仿真十分关键。使用动网格仿真，势必会造成部分网格移动重建，且为保证CFD仿真精度，往往越复杂外形的物体表面网格尺寸越小，小尺寸网格限制了动网格仿真的单位时间步长，从而降低了求解速度而无法快速求解附加质量。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于ANSYS的CFD求解外形不一的AUV直航方向的附加质量的方法，与传统的基于动网格的CFD方法不同，该方法不需要使用动网格，在保证计算精度的同时降低了网格要求且极大的提升了计算速度，其采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种获取水下航行器直航附加质量方法，包括：
[0007]A、AUV模型导入；
[0008]B、网格划分；
[0009]C、网格独立性验证，获得较优网络；
[0010]D、进行时间步长独立性验证，获得较优的瞬态仿真时间步长；
[0011]E、网格导入；
[0012]F、将UDF程序编译并导入fluent中进行瞬态仿真
[0013]AUV做匀速直线运动时，AUV的推进力F
p
大小等于匀速运动时的阻力Drag；而当AUV做加速恒为a的水平直线运动时，将匀加速运动过程离散化，选取vt前后时间段的推力值，使用最小二乘法拟合t时刻前后一段时间的数值，来推算某一时刻的推力F
vt
[0014][0015]结合公式F
vt
‑
Drag
vt
‑
ma＝m
11
·
a得出：
[0016]其中ε为修正系数。
[0017]进一步地，所述步骤B包括：创建外流域和内流域，内流域划分成非结构网格，外流域为划分成结构网格，同时在AUV表面添加边界层网格。
[0018]进一步地，基于步骤B中的网格，生成一系列连续细化的网格，网格数量变化比率为
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0020]本专利技术与传统的基于动网格的CFD方法不同，该方法不需要使用动网格，通过改变流体速度模拟AUV变速的过程，监控阻力值并通过计算求解附加质量。本专利技术在保证计算精度的同时降低了网格要求且极大的提升了计算速度。为验证本专利技术准确性，对标准椭圆球分别进行CFD仿真及理论计算。本专利技术得到的附加质量值与理论计算值偏差小于3％，说明在设计初期，用该方法计算任意外形的AUV直航方向的附加质量结果可靠。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例获取水下航行器直航附加质量方法流程图；
[0022]图2为本专利技术实施例AUV坐标系；
[0023]图3为本专利技术实施例椭圆球模型；
[0024]图4为本专利技术实施例流域设置；；
[0025]图5为本专利技术实施例网格整体图及截面图；
[0026]图6为本专利技术实施例SUBOFF模型；
[0027]图7为本专利技术实施例阻力与时间关系图一；
[0028]图8为本专利技术实施例阻力与时间关系图二；
[0029]图9为本专利技术实施例阻力与时间关系图三。
具体实施方式
[0030]ANSYS FLUENT是成熟的流体仿真软件，能准确地对不同形状的物体在不同的工况下求解RANS方程。Mochammad、RAZA、姚保太等人利用动网格，分别模拟椭圆球在水中做规律的正弦运动和水平匀加速直线运动，并通过分析仿真所得数据，准确地求得直航方向附加质量。由于需要使用动网格技术，网格质量对仿真十分关键。仿真过程中部分网格会移动重建，所以动网格仿真的最大步长取决于最小网格尺寸，对于复杂外形的物体便无法快速求解附加质量。本实施例提出一种无需使用动网格快速求解直航方向附加质量的CFD求解方法。
[0031]为了能够更加清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0032]参考图1，本实施例基于ANSYS FLUENT的CFD求解外形不一的AUV直航方向的附加质量的过程如下：
[0033]步骤A、导入AUV三维模型于ANSYS ICEM CFD软件中
[0034]当然也可选择将三维模型导入至其他网格划分软件中，如GAMBIT、MESHING等。
[0035]步骤B、网格划分
[0036]实现过程：创建外流域和内流域，内流域划分成非结构网格(非结构网格优点：适应性极强，能较好地处理复杂平面。)外流域为划分成结构网格(结构网格的优点在于：占用计算资源少；计算速度快)。同时在水下航行器AUV表面添加边界层网格(边界层是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层。流体流经固体壁面时会在紧贴壁面的区域内形成边界层，边界层内流体具有很大的速度梯度。因此本实施例对水下机器人进行流体分析时考虑边界层，添加边界层网格可以在保证计算精度的同时极大地降低网格数量以提升仿真运算速度和减低计算机资源使用。)
[0037]作为替代方案，也可只创建一个流域，将流域内网格全部划分为结构网格或全部划分为非结构网格。
[0038]步骤C、进行网格独立性验证，得到较优网格
[0039]一般而言，网格数量越大，运算精度越准，但运算时间越久，本实施例选取的较优网格就是网格数量尽量小的同时，运算精度也比较好。为合理地使用计算机资源，较快地完成瞬态仿真，本实施例基于步骤B初始网格，生成一系列连续细化的网格，网格数量变化比率为通过流体仿真选择网格数量较少且仿真数据变化不大的网格。如表2所示，MESH2,MESH 3,MESH 4仿真计算结果相似，所以选取数量最少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种获取水下航行器直航附加质量方法，其特征在于包括：A、AUV模型导入；B、网格划分；C、网格独立性验证，获得较优网络；D、进行时间步长独立性验证，获得较优的瞬态仿真时间步长；E、网格导入；F、将UDF程序编译并导入fluent中进行瞬态仿真AUV做匀速直线运动时，AUV的推进力F
p
大小等于匀速运动时的阻力Drag；而当AUV做加速恒为a的水平直线运动时，将匀加速运动过程离散化，选取v
t
前后时间段的推力值，使用最小二乘法拟合t时刻前后一段时间的数值，来推算某一时刻的推力F

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志航，何波，沈钺，刘继鑫，严天宏，申洪彬，徐玉雪，
申请(专利权)人：青岛澎湃海洋探索技术有限公司，
类型：发明
国别省市：