宋保維,張寶收,姜軍,杜曉旭,王德政(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西西安710072)

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四旋翼碟形自主水下航行器運(yùn)動(dòng)方程建立與流體特性仿真研究

宋保維,張寶收,姜軍,杜曉旭,王德政
(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西西安710072)

摘要:四旋翼碟形自主水下航行器(AUV)是一種新型水下航行器。為研究此航行器的流體動(dòng)力特性,建立了四旋翼碟形AUV的三維模型,并定義了參考坐標(biāo)系和廣義特征參數(shù);在其體坐標(biāo)系中根據(jù)動(dòng)量和動(dòng)量矩定理,建立了廣義參數(shù)定義的AUV六自由度動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;采用計(jì)算流體力學(xué)方法,基于Ansys CFX流體分析軟件,在的0°～90°攻角范圍內(nèi),對(duì)航行器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流體動(dòng)力特性進(jìn)行了仿真研究,并繪制了其特性曲線。仿真結(jié)果表明:在0°～15°攻角范圍內(nèi),航行器具有較低的流體阻力,適宜做定深運(yùn)動(dòng);在30°～50°攻角范圍內(nèi),航行器具有良好的升力特性,適宜完成曲線潛浮運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞:流體力學(xué);四旋翼碟形自主水下航行器;流體動(dòng)力;特性分析;數(shù)值計(jì)算

0　引言

在21世紀(jì)的海洋開(kāi)發(fā)與水下目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域,各種不同形式的潛水器因需求的不同而產(chǎn)生,新型水下航行器的研發(fā)越來(lái)越關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。由于扁平型水下航行器有助于利用流體升力,在鉛垂面內(nèi)具有良好的潛浮性能,國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)對(duì)扁平型水下航行器的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣,并對(duì)此類(lèi)自主水下航行器(AUV)進(jìn)行了相關(guān)的理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)。例如上海交通大學(xué)對(duì)研發(fā)的碟形潛水器[1]的研究與仿真論證了常規(guī)動(dòng)力推進(jìn)的扁平型水下航行器低速條件下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和操縱性能;日本“PTEROA”系列航行器[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)此類(lèi)AUV做了定量流體特性研究。

由于扁平型水下航行器的出現(xiàn)只是近20年的歷史,對(duì)于其體動(dòng)力特性的研究較少且尚未形成成熟理論,相關(guān)扁平型航行器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪切」ソ欠秶鷥?nèi)對(duì)定常流場(chǎng)的研究,并將水動(dòng)力性能與細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體航行器的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)性能做了比較,確定了小攻角范圍內(nèi)扁平型航行器的承載空間和阻力特性、升力特性良好,但尚未對(duì)航行器的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性做出分析。

基于現(xiàn)階段的研究成果,確定扁平型AUV具有優(yōu)良的承載性能,在低速微速狀況,操縱靈活性高。考慮目前在航空領(lǐng)域出現(xiàn)了四旋翼航行器,其控制理論研究較為成熟,將此高效率和靈活性的推進(jìn)方式引入扁平碟型水下航行器的設(shè)計(jì)中,目前尚無(wú)此類(lèi)水下航行器的研究。本文通過(guò)流體仿真獲得了流體動(dòng)力參數(shù)的相關(guān)規(guī)律,結(jié)論可為此型AUV的設(shè)計(jì)定型提供理論參考。

1　坐標(biāo)系的選取與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的描述

四旋翼碟形AUV是一種新型水下航行器,以平行安置的4個(gè)螺旋槳,配合質(zhì)心和浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),合成推力矢量,使航行器以多種攻角姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。此AUV相比于傳統(tǒng)的魚(yú)雷形水下航行器具有靜穩(wěn)定性高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn),特別考慮AUV具有圓碟形外觀,擁有全向運(yùn)動(dòng)性。這將很好地適用于狹小復(fù)雜水域環(huán)境。

為了確定四旋翼碟形AUV位置和姿態(tài),對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真,研究AUV的流體動(dòng)力特性,需要選定相應(yīng)的坐標(biāo)系。地面坐標(biāo)系選取慣性坐標(biāo)系記為OEχyz,原點(diǎn)為航行器入水點(diǎn),坐標(biāo)軸χ為初始運(yùn)動(dòng)方向在地平面內(nèi)的投影,作為參考航向;y軸豎直向上為鉛垂軸;z軸在地平面內(nèi)且垂直于OEχy平面[3]。

選取AUV體坐標(biāo)系為OXYZ,坐標(biāo)系原點(diǎn)取在航行器浮心,坐標(biāo)軸X處于航行器對(duì)稱面內(nèi),指向其中一號(hào)選定電機(jī);Y軸處于航行器縱對(duì)稱面內(nèi),方向垂直于X軸向上;Z軸垂直于OXY平面,如圖1所示。從AUV體坐標(biāo)系到地面慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣記作CBE[4].

圖1　AUV坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of AUV

AUV在地面坐標(biāo)系的位置表示為r = [χ,y, z]T,速度可描述為v = [υχ,υy,υz]T,角度姿態(tài)可以表示為Θ= [φ,θ,ψ]T,廣義方位參數(shù)R = [rT,ΘT]T.

在AUV體坐標(biāo)系中,角速度描述為ω= [ωX, ωY,ωZ]T,即可定義其廣義速度參數(shù)為V = [vT, ωT]T[5].AUV所受力與所受力矩在其體坐標(biāo)系中,可分別表述為F = [FX, FY, FZ]T,T = [ TX, TY, TZ]T,則廣義力參數(shù)描述為f = [FT,TT]T[6].

2　六自由度運(yùn)動(dòng)方程的建立

2.1動(dòng)力學(xué)方程

在四旋翼碟形AUV的體坐標(biāo)系中,根據(jù)動(dòng)量和動(dòng)量矩定理[7]:

式中:m為航行器的質(zhì)量;JE是AUV相對(duì)于AUV體坐標(biāo)系原點(diǎn)的慣性張量;rB= [X,Y,Z]T是AUV的質(zhì)心在體坐標(biāo)系中坐標(biāo)。

需要考慮航行器運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量,AUV在流體中運(yùn)動(dòng),會(huì)帶動(dòng)航行器周?chē)〔糠至黧w同時(shí)運(yùn)動(dòng),使航行器慣性系數(shù)產(chǎn)生一個(gè)增量λik,即產(chǎn)生附加質(zhì)量,i、k = 1,2,…,6,代表6個(gè)方向。流體的運(yùn)動(dòng)完全可以看成類(lèi)剛體運(yùn)動(dòng),即把這部分流體看與航行器同速的類(lèi)剛體運(yùn)動(dòng)。四旋翼碟形AUV具有OXBYB一個(gè)對(duì)稱平面,則不為0的λik共12個(gè)。

廣義參數(shù)定義的動(dòng)力學(xué)方程為

式中:ΣF為航行器所受流體阻力和升力等外力,可通過(guò)Ansys CFX仿真求解;C(υ)為外力系數(shù)矩陣;M作為四旋翼碟形AUV的廣義質(zhì)量矩陣。

2.2運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

推導(dǎo)四旋翼碟形AUV的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,即通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣將體坐標(biāo)系中的速度矢量轉(zhuǎn)換到地面慣性系之中[8]。

則運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可用廣義速度與廣義位置的形式表示:

3　基于Ansys CFX的流體仿真

3.1控制方程

對(duì)流動(dòng)問(wèn)題的求解即是對(duì)Navier-Stokes方程的求解。不可壓縮流動(dòng)控制方程主要為連續(xù)方程和Navier-Stokes方程:

式中:U為流體速度矢量;ρ為流體密度;p為流體壓力;μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

3.2湍流模型

考慮到本仿真中模型的攻角范圍為0°～90°,要求湍流模型適應(yīng)范圍廣,所以選用SST k-ω模型對(duì)四旋翼碟形AUV的流體特性進(jìn)行仿真分析[9]。

湍流強(qiáng)度k方程:

湍流頻率ω方程:

式中:pk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;σk和σω為湍流能量普朗特?cái)?shù);渦粘度為μz=-ρk/ω.

3.3三維建模與網(wǎng)格劃分

本文以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造UG軟件建立了四旋翼碟形AUV的三維模型,模型的主要參數(shù)有:

1) AUV整體為旋轉(zhuǎn)橢球體,旋轉(zhuǎn)橢圓小徑為100 mm,大徑為900 mm,旋轉(zhuǎn)軸為小徑所在直線。

2)旋翼推進(jìn)器分4組對(duì)稱分布,推進(jìn)器開(kāi)口直徑為300 mm,距離AUV整體旋轉(zhuǎn)距離為500 mm且與旋轉(zhuǎn)軸平行。

以Ansys ICEM為網(wǎng)格劃分工具,對(duì)于體網(wǎng)格Volume Mesh,選擇Mesh Type-Tetar/ Mixed網(wǎng)格劃分類(lèi)型,對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]。對(duì)于邊界層網(wǎng)格Prism Mesh劃分,高比率設(shè)置為height-1.5,網(wǎng)格層數(shù)設(shè)置為num layers-5層,對(duì)曲面邊界層進(jìn)行了加密細(xì)化[11],保證網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.5,劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖2所示。

圖2　整體網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of AUV

3.4求解結(jié)果

本文數(shù)值模擬了攻角α為0°～90°的工作狀況,由于工作狀況較多,此處以攻角α=30°為例,展示仿真結(jié)果。

監(jiān)視收斂結(jié)果,如圖3,運(yùn)用均方根值(RMS)殘差監(jiān)視法,以殘差減小至10-4或?qū)崿F(xiàn)收斂作為是否收斂的判斷標(biāo)準(zhǔn)。多次求解之后,運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)收斂,經(jīng)后處理可獲得相應(yīng)是流體動(dòng)力參數(shù)、流線圖、壓力分布云圖等求解結(jié)果。

圖3　RMS收斂過(guò)程曲線Fig.3 The convergence process curves of RMS

在四旋翼碟形AUV的縱平面內(nèi)建立流線平面,如圖4,從中可以看出AUV前部上表面出現(xiàn)高速流場(chǎng),邊界層開(kāi)始分離,出現(xiàn)湍流區(qū)域;AUV后部上表面產(chǎn)生大渦流,流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,并出現(xiàn)尾跡區(qū)域,壓力下降較快,前后壓差增大,此壓差將提供主要的流體阻力。

圖4　縱對(duì)稱面內(nèi)流線圖Fig.4 Streamline chart on the longitudinal symmetry plane

通過(guò)后處理獲得航行器表面的壓力分布云圖,如圖5,在四旋翼碟形AUV迎流前緣的上表面,出現(xiàn)了一條明顯低壓帶,低壓帶的產(chǎn)生由于流體流經(jīng)迎流前緣后流速加快,使航行器上表面的壓力下降。不平衡的表面流速和壓力分布是AUV產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩的原因。

4　仿真結(jié)果處理與分析

4.1四旋翼碟形AUV的阻力系數(shù)Cχ

將以上Ansys CFX做流體仿真獲得的阻力數(shù)據(jù)分析匯總,依據(jù)流體阻力FD的推導(dǎo)表達(dá)式[12]:

圖5　攻角為30°時(shí)壓力分布云圖(上表面)Fig.5 Surface stress contour of AUV for α=30°

式中:n為航行器表面的外法向單位向量;t為表面的切向單位向量;S為最大橫截面積;Ω為航行器沾濕面積。

繪制阻力系數(shù)Cχ隨攻角α的變化曲線如圖6所示。

圖6　阻力系數(shù)CχFig.6 Drag coefficient vs.α

分析阻力系數(shù)曲線可以得出:

1)攻角α從0°增加到15°時(shí),阻力系數(shù)變化幅度很小。結(jié)合攻角為0°和15°速度矢量云圖(見(jiàn)圖7和圖8)分析,在小攻角范圍內(nèi),航行器外部繞流以層流為主,邊界分離現(xiàn)象不明顯,產(chǎn)生的分離漩渦區(qū)域較小,因此流體阻力以AUV所受的摩擦阻力為主,壓差阻力影響較小。

2)攻角α從15°增加到65°時(shí),阻力系數(shù)快速增加。結(jié)合攻角為30°和45°的速度矢量云圖(見(jiàn)圖9和圖10),在此范圍內(nèi)航行器后部邊界層快速分離,形成明顯的分離漩渦,AUV后部壓力迅速減小,壓差阻力明顯增大主導(dǎo)了流體阻力的產(chǎn)生。

3)攻角α從65°增加到90°時(shí),阻力系數(shù)保持較大值并小幅增加,結(jié)合攻角為65°和90°速度矢量云圖(見(jiàn)圖11和圖12)分析,AUV后部的分離漩渦趨于穩(wěn)定,壓差阻力主要主導(dǎo)流體阻力,所產(chǎn)生的阻力系數(shù)小幅增加。

圖7　攻角為0°速度矢量云圖Fig.7 The velocity vector chart for α=0°

圖8　攻角為15°速度矢量云圖Fig.8 The velocity vector chart for α=15°

圖9　攻角為30°速度矢量云圖Fig.9 The velocity vector chart for α=30°

圖10　攻角為45°速度矢量云圖Fig.10 The velocity vector chart for α=45°

圖11　攻角為65°速度矢量云圖Fig.11 The velocity vector chart for α=65°

圖12　攻角為90°速度矢量云圖Fig.12 The velocity vector chart for α=90°

4.2四旋翼碟形AUV的升力系數(shù)Cy

對(duì)流體仿真所獲得的升力數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理,并依據(jù)航行器的升力Fy表達(dá)式[11]:

繪制升力系數(shù)Cy隨α的變化曲線如圖13所示。

分析升力系數(shù)曲線可以得出:

1)升力系數(shù)曲線是一個(gè)開(kāi)口向下的曲線,系數(shù)0值出現(xiàn)在0°和90°攻角位置處,最大值出現(xiàn)在40°～50°左右位置處。

2)攻角α從0°增加到45°時(shí),Cy隨攻角增大而增大。當(dāng)攻角從0°開(kāi)始增大時(shí),下表面為迎流表面壓力較大,上下表面出現(xiàn)壓力差,壓力差在豎直方向的分量為升力,升力系數(shù)也隨之增大。

3)出現(xiàn)最大升力系數(shù)的原因在于:隨攻角增大的同時(shí),壓力差在豎直方向的分量從100%減小到0.因此,在45°增加到50°的攻角范圍內(nèi),此豎直方向的壓力分量減小到0.

圖13　升力系數(shù)CyFig.13 Lift coefficient vs.α

4.3四旋翼碟形AUV的俯仰力矩系數(shù)mz

將模型仿真獲得的俯仰力矩匯總,依據(jù)俯仰力矩推導(dǎo)的表達(dá)式[11]:

式中:L為航行器長(zhǎng)度;Ft為航行器所受切向力; Fn為法向力。

繪制俯仰力矩系數(shù)mz隨α的變化曲線如圖14所示。

圖14　俯仰力矩系數(shù)mzFig.14 Pitching moment coefficient vs.α

分析俯仰力矩系數(shù)可以得出:

1)俯仰力矩系數(shù)在0°～90°的范圍內(nèi)為正值,呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),在約30°位置處出現(xiàn)最大值;由于四旋翼碟形AUV對(duì)Y軸是對(duì)稱的,所以在攻角0°～90°時(shí),力矩出現(xiàn)0值。

2)當(dāng)攻角從0°增大到30°時(shí),俯仰力矩從0增大到最大值,由于AUV迎流前緣上表面繞流速度快于下表面,產(chǎn)生明顯分離層和渦流,使得上表面壓力減小,下表面迎流壓力增大,對(duì)浮心產(chǎn)生抬頭力矩,如圖15和圖16所示;后緣下表面迎流,壓力較大,對(duì)浮心產(chǎn)生低頭力矩,但由于在此攻角范圍內(nèi)其低頭力矩的增大速率慢于前緣產(chǎn)生的抬頭力矩。所以AUV受抬頭力矩的影響,整體俯仰力矩大于0且處于不斷增大狀態(tài)。

圖15　攻角為15°上表面壓力云圖Fig.15 Upper surface stress contour of AUV for α=15°

圖16　攻角為15°下表面壓力云圖Fig.16 Lower surface stress contour of AUV for α=15°

當(dāng)攻角在30°增大到90°時(shí),航行器前緣仍產(chǎn)生抬頭力矩,但增速不斷減小;航行器后緣繼續(xù)對(duì)浮心產(chǎn)生低頭力矩,隨攻角的增大,低頭力矩的增速不斷增大。綜合分析知,兩種對(duì)浮心力矩差值開(kāi)始減小,即俯仰力矩將減小。因?yàn)橐恢贝嬖谡ソ?俯仰力矩將不會(huì)小于0,在90°攻角時(shí),俯仰力矩會(huì)減小到0.

3)根據(jù)俯仰力矩系數(shù)的變化趨勢(shì),可以求解其位置導(dǎo)數(shù)的正負(fù)值,進(jìn)而可以判斷四旋翼碟形AUV的縱向靜穩(wěn)定性。mz是先增大、后減小的趨勢(shì),在俯仰力矩系數(shù)mz增大的范圍內(nèi),位置導(dǎo)數(shù)?TZ/?α＞0,則在攻角0°～30°的范圍內(nèi),AUV是靜不穩(wěn)定的,需要四旋翼提供平衡力矩維持姿態(tài)穩(wěn)定,但運(yùn)動(dòng)阻力較小;在俯仰力矩系數(shù)mz減小的范圍內(nèi),位置導(dǎo)數(shù)?TZ/?α＜0,則在攻角30°～90°的范圍內(nèi),AUV趨于靜穩(wěn)定,對(duì)于保證其在水中正常運(yùn)動(dòng)是有利的,但需要承受較大流體阻力。

4.4AUV運(yùn)動(dòng)方程的仿真求解算例

為推導(dǎo)完整的AUV運(yùn)動(dòng)方程,聯(lián)立AUV的動(dòng)力學(xué)方程(3)式和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(5)式,可以將廣義運(yùn)動(dòng)方程寫(xiě)出以下形式:

考慮四旋翼碟形AUV的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式,根據(jù)廣義AUV運(yùn)動(dòng)方程,帶入仿真求解結(jié)果阻力系數(shù)Cχ、升力系數(shù)Cy和俯仰力矩系數(shù)mz,進(jìn)一步推導(dǎo)出完整的AUV運(yùn)動(dòng)方程的微分表達(dá)式如下:

式中:Ft為AUV的螺旋槳推力;S為AUV橫截面積;L為AUV長(zhǎng)度;ΔG為凈重力;χG為AUV重心的前移量;hG為重心高度;JZ為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。7個(gè)微分方程可以通過(guò)數(shù)值求解獲得7個(gè)未知參數(shù)。

根據(jù)以上建立的運(yùn)動(dòng)方程,通過(guò)編制數(shù)值仿真程序,對(duì)AUV下潛的典型運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,仿真結(jié)果如圖17和圖18所示。

圖17　AUV運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖Fig.17 Motion trajectory simulation of AUV

圖18　俯仰角隨時(shí)間的變化曲線Fig.18 Pitch angle θ vs.t

5　結(jié)論

本文建立新型水下航行器——四旋翼碟形AUV的六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,為航行器的運(yùn)動(dòng)控制提供了理論基礎(chǔ)。采用計(jì)算流體力學(xué)的研究方法, 對(duì)AUV在攻角0°～90°的范圍內(nèi)展開(kāi)了數(shù)值仿真研究,得到了不同工作狀態(tài)下AUV的阻力、升力和俯仰力矩,并由此繪制了相應(yīng)系數(shù)曲線,綜合分析AUV運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與流體動(dòng)力特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,繪制了仿真運(yùn)動(dòng)軌跡圖?？偨Y(jié)新型推進(jìn)方式四旋翼動(dòng)力布局對(duì)流體動(dòng)力特性的影響如下:

1)確定了航行器在0°～15°攻角范圍內(nèi),具有較低的流體阻力,較高的穩(wěn)定性,適宜航行器做定深直線運(yùn)動(dòng)。在15°～90°的攻角范圍,流體阻力增大。但隨著攻角的增大,螺旋槳從迎流面吸水向后噴射推進(jìn),推力在速度方向分量增大,推進(jìn)效率提高;4個(gè)前后貫通的螺旋槳通道有效通水面積增大,降低了流體阻力的增長(zhǎng)速度。

2)在30°～50°的攻角范圍內(nèi),航行器具有良好的升力特性,在鉛垂面內(nèi)機(jī)動(dòng)性和操縱性良好,適宜航行器完成潛浮曲線運(yùn)動(dòng)。此范圍內(nèi)兼顧水平向推力分量和豎直向推力分量,有助于更好利用升力特性,完成鉛垂面內(nèi)曲線運(yùn)動(dòng),具有較好推進(jìn)性能。

3)在10°～30°的攻角范圍內(nèi),航行器具有良好的綜合運(yùn)動(dòng)性能,但靜穩(wěn)定性較低,在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要協(xié)調(diào)輸出螺旋槳的推力,平衡俯仰力矩,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。處于此角度范圍是靜不穩(wěn)定的,但由于四旋翼的特殊推力布局,4個(gè)螺旋槳距離浮心較遠(yuǎn)且均勻分布,共同控制AUV的運(yùn)行姿態(tài)。螺旋槳差動(dòng)調(diào)節(jié)能高效地輸出平衡力矩,在阻力特性和升力兼顧的情況下,維持四旋翼碟形AUV的穩(wěn)定高效運(yùn)行。四旋翼碟形AUV水平直行時(shí)保持攻角為15°,此時(shí)俯仰角和攻角重合,下潛時(shí)AUV調(diào)整姿態(tài)使俯仰角從15°減小到10°.根據(jù)AUV運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖,AUV能穩(wěn)定完成下潛,達(dá)到下潛深度后恢復(fù)到俯仰角為15°開(kāi)始直行,下潛運(yùn)動(dòng)完成。從中可以看出,在此攻角范圍內(nèi)AUV具有較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

本文的研究?jī)?nèi)容將為四旋翼碟形AUV提供流體動(dòng)力特性方面的基礎(chǔ)資料,對(duì)此類(lèi)航行器的設(shè)計(jì)定型及運(yùn)動(dòng)控制具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)(References)

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Estimation of Equation of Motion of Four-rotor Dish-shaped AUV and Simulation Research on Its Hydrodynamic Characteristics

SONG Bao-wei, ZHANG Bao-shou, JIANG Jun, DU Xiao-xu, WANG De-zheng
(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China)

Abstract:The four-rotor dish-shaped AUV is a new type of underwater vehicle.A three-dimensional model is set up to study the hydrodynamic characteristics of AUV, and the reference coordinate system and the generalized characteristic parameters are defined.In the body coordinate system, the concise sixdegree-of-freedom dynamics and kinematics equations of motion for AUV are presented based on the momentum and the angular momentum theorem.The computational fluid dynamics method is used to simulate the hydrodynamic characteristics during the movement of AUV at the angles of attack from 0°to 90° based on fluid analysis software (Ansys CFX).The curves of drag, lift and pitching moment coefficients with the change of angle of attack are drawn.The simulated results show that, in the range of the angles of attack from 0°to 15°, the AUV is suitable for moving at a certain depth in the fluid with small fluid resistance.In the range of the angles of attack from 30°to 50°, the AUV is suitable to complete the curvilinear snorkeling motion with excellent lift characteristics.

Key words:fluid mechanics; four-rotor dish-shaped AUV; fluid dynamics; characteristic analysis; numerical computation

作者簡(jiǎn)介:宋保維(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:songbaowei@ nwpu.edu.cn;張寶收(1991—),男,博士研究生。E-mail:zbsnwpu@ sina.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11302176)

收稿日期:2015-04-06

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.016

中圖分類(lèi)號(hào):TP242.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-1093(2016)02-0299-08