AUV矢量推進水動力計算及水平回轉(zhuǎn)操縱性試驗
發(fā)布時間：2021-02-04 12:57
針對矢量推進模式下的AUV水動力性能和操縱性能,開展了AUV矢量推進水動力CFD計算,對矢量推進水平回轉(zhuǎn)操縱性進行了評估,加工了矢量推進樣機,并進行湖上操縱性驗證。理論計算和試驗數(shù)據(jù)表明:矢量推進具備極高的低速操縱性,該研究為矢量推進在AUV上的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
【文章來源】：數(shù)字海洋與水下攻防. 2020,3(04)
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
坐標(biāo)系定義Fig.1Definitionofcoordinatesystem
第4期李雨田，等：AUV矢量推進水動力計算及水平回轉(zhuǎn)操縱性試驗·289·布局、多推進器布局、矢量推進布局等。AUV矢量推進是指在AUV尾部中軸線布置1個主推進器，通過控制推進器轉(zhuǎn)速和推進器偏轉(zhuǎn)角實現(xiàn)AUV的操縱。相比舵控，矢量推進可以在極低速度下實現(xiàn)高操縱性；相比多推進器，矢量推進在空間布置及尺寸要求上有相對的優(yōu)勢。因此，矢量推進在水下無人航行器推進及操縱中有好的應(yīng)用前景。1矢量推進水動力計算1.1坐標(biāo)系定義考慮到研究對象為矢量推進器，在分析時設(shè)定艇體絕對坐標(biāo)系和艇體局部坐標(biāo)系2個坐標(biāo)系。1）艇體絕對坐標(biāo)系（OXYZ）：坐標(biāo)原點位于球頭圓心處，X軸與航行器軸線重合，從航行器頭部指向尾部為正，垂直方向為Y方向，向上為正，Z方向按右手法則確定。2）艇體局部坐標(biāo)系（SSSOXYZ）：坐標(biāo)原點位于球頭圓心處，SX軸與推進器軸線重合，從導(dǎo)管入口指向出口為正，與推進器軸線和航行器軸線確定平面垂直的方向為SY方向，即SY方向可由SX方向矢量和X方向矢量叉乘得到，SZ方向按右手法則確定。當(dāng)航行器處于直航狀態(tài)，即推進器偏轉(zhuǎn)角為0時，絕對坐標(biāo)系（OXYZ）和局部坐標(biāo)系（SSSOXYZ）重合，SX軸和X軸之間的夾角即為推進器水平偏轉(zhuǎn)角，SY軸和Y軸之間的夾角即為推進器垂向偏轉(zhuǎn)角。圖1是坐標(biāo)系定義示意圖，圖2是推進器矢量偏轉(zhuǎn)角定義示意圖。圖1坐標(biāo)系定義Fig.1Definitionofcoordinatesystem圖2矢量偏轉(zhuǎn)角定義Fig.2Definitionofvectordeflectionangle1.2水動力計算方法采用CFD方法計算推進器矢量偏轉(zhuǎn)水動力參數(shù)，CFD計算控制方程包含連續(xù)性方程和RANS方程：()0iiutx()()iijjuuutx2
第4期李雨田，等：AUV矢量推進水動力計算及水平回轉(zhuǎn)操縱性試驗·291·圖4推進器各部件受力系數(shù)與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.4Relationshipbetweenforcecoefficientofeachpartofthrusteranddeflectionangle圖5轉(zhuǎn)子扭矩系數(shù)與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.5Relationshipbetweenrotortorquecoefficientanddeflectionangle表1、圖4和圖5中的數(shù)據(jù)和曲線表明：1）偏轉(zhuǎn)角對導(dǎo)管的受力系數(shù)影響比較大，30°偏轉(zhuǎn)角下導(dǎo)管沿SX方向的受力系數(shù)是0°直航狀態(tài)下的2.31倍；2）隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，轉(zhuǎn)子沿SX方向的受力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化比較平穩(wěn)，略有增加，與0°直航狀態(tài)下相比，30°偏轉(zhuǎn)角下轉(zhuǎn)子沿SX方向的受力系數(shù)增加了3.4%，扭矩系數(shù)增加了4.2%；3）隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，整個推進單元沿SX方向的受力系數(shù)比較平穩(wěn)，略有增加，與0°直航狀態(tài)下相比，30°偏轉(zhuǎn)角下整個推進單元沿SX方向的受力系數(shù)增加了3.9%。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]UUV操縱性設(shè)計及流體動力布局[J]. 李雨田,雷敏,雷陽,錢進軍. 數(shù)字海洋與水下攻防. 2020(02)
[2]無鰭舵矢量推進水下機器人縱向穩(wěn)定性研究[J]. 張榮敏,陳原,高軍. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2017(01)
[3]基于雙閉環(huán)的矢量推進器的AUV轉(zhuǎn)向控制方法[J]. 陳世利,衛(wèi)民,李一博,張震宇. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2014(06)
[4]矢量推進自主水下航行器動力學(xué)建模及仿真[J]. 王玉,林秀桃,宋詩軍,劉玉紅,張宏偉,王樹新. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2014(02)
本文編號：3018346
【文章來源】：數(shù)字海洋與水下攻防. 2020,3(04)
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
坐標(biāo)系定義Fig.1Definitionofcoordinatesystem
第4期李雨田，等：AUV矢量推進水動力計算及水平回轉(zhuǎn)操縱性試驗·289·布局、多推進器布局、矢量推進布局等。AUV矢量推進是指在AUV尾部中軸線布置1個主推進器，通過控制推進器轉(zhuǎn)速和推進器偏轉(zhuǎn)角實現(xiàn)AUV的操縱。相比舵控，矢量推進可以在極低速度下實現(xiàn)高操縱性；相比多推進器，矢量推進在空間布置及尺寸要求上有相對的優(yōu)勢。因此，矢量推進在水下無人航行器推進及操縱中有好的應(yīng)用前景。1矢量推進水動力計算1.1坐標(biāo)系定義考慮到研究對象為矢量推進器，在分析時設(shè)定艇體絕對坐標(biāo)系和艇體局部坐標(biāo)系2個坐標(biāo)系。1）艇體絕對坐標(biāo)系（OXYZ）：坐標(biāo)原點位于球頭圓心處，X軸與航行器軸線重合，從航行器頭部指向尾部為正，垂直方向為Y方向，向上為正，Z方向按右手法則確定。2）艇體局部坐標(biāo)系（SSSOXYZ）：坐標(biāo)原點位于球頭圓心處，SX軸與推進器軸線重合，從導(dǎo)管入口指向出口為正，與推進器軸線和航行器軸線確定平面垂直的方向為SY方向，即SY方向可由SX方向矢量和X方向矢量叉乘得到，SZ方向按右手法則確定。當(dāng)航行器處于直航狀態(tài)，即推進器偏轉(zhuǎn)角為0時，絕對坐標(biāo)系（OXYZ）和局部坐標(biāo)系（SSSOXYZ）重合，SX軸和X軸之間的夾角即為推進器水平偏轉(zhuǎn)角，SY軸和Y軸之間的夾角即為推進器垂向偏轉(zhuǎn)角。圖1是坐標(biāo)系定義示意圖，圖2是推進器矢量偏轉(zhuǎn)角定義示意圖。圖1坐標(biāo)系定義Fig.1Definitionofcoordinatesystem圖2矢量偏轉(zhuǎn)角定義Fig.2Definitionofvectordeflectionangle1.2水動力計算方法采用CFD方法計算推進器矢量偏轉(zhuǎn)水動力參數(shù)，CFD計算控制方程包含連續(xù)性方程和RANS方程：()0iiutx()()iijjuuutx2
第4期李雨田，等：AUV矢量推進水動力計算及水平回轉(zhuǎn)操縱性試驗·291·圖4推進器各部件受力系數(shù)與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.4Relationshipbetweenforcecoefficientofeachpartofthrusteranddeflectionangle圖5轉(zhuǎn)子扭矩系數(shù)與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.5Relationshipbetweenrotortorquecoefficientanddeflectionangle表1、圖4和圖5中的數(shù)據(jù)和曲線表明：1）偏轉(zhuǎn)角對導(dǎo)管的受力系數(shù)影響比較大，30°偏轉(zhuǎn)角下導(dǎo)管沿SX方向的受力系數(shù)是0°直航狀態(tài)下的2.31倍；2）隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，轉(zhuǎn)子沿SX方向的受力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化比較平穩(wěn)，略有增加，與0°直航狀態(tài)下相比，30°偏轉(zhuǎn)角下轉(zhuǎn)子沿SX方向的受力系數(shù)增加了3.4%，扭矩系數(shù)增加了4.2%；3）隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，整個推進單元沿SX方向的受力系數(shù)比較平穩(wěn)，略有增加，與0°直航狀態(tài)下相比，30°偏轉(zhuǎn)角下整個推進單元沿SX方向的受力系數(shù)增加了3.9%。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]UUV操縱性設(shè)計及流體動力布局[J]. 李雨田,雷敏,雷陽,錢進軍. 數(shù)字海洋與水下攻防. 2020(02)
[2]無鰭舵矢量推進水下機器人縱向穩(wěn)定性研究[J]. 張榮敏,陳原,高軍. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2017(01)
[3]基于雙閉環(huán)的矢量推進器的AUV轉(zhuǎn)向控制方法[J]. 陳世利,衛(wèi)民,李一博,張震宇. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2014(06)
[4]矢量推進自主水下航行器動力學(xué)建模及仿真[J]. 王玉,林秀桃,宋詩軍,劉玉紅,張宏偉,王樹新. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2014(02)
本文編號：3018346
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