一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模型輔助領(lǐng)域，具體涉及一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法，基 于流體力學(xué)軟件對(duì)螺旋槳的推力進(jìn)行分析。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下航行器作為海洋探測(cè)的重要工具，可靠的狀態(tài)測(cè)量方法是水下航行器能夠到 達(dá)指定地點(diǎn)并完成相應(yīng)任務(wù)的關(guān)鍵。由于深海環(huán)境復(fù)雜、工作時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)還有精度、可靠 性等要求，一般的狀態(tài)測(cè)量?jī)x器（如多普勒定位儀）可能會(huì)因?yàn)楹５讖?fù)雜的環(huán)境無(wú)法正常 工作。為了得到水下航行器實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用數(shù)學(xué)解析模型推算水下航行器的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)的方法被提出。在該模型中需要考慮水下航行器所受到的黏性類(lèi)水動(dòng)力、慣性類(lèi)水動(dòng)力、 靜力（重力、浮力）以及螺旋槳的推力，其中螺旋槳的推力模型對(duì)整個(gè)模型的準(zhǔn)確性起著極 其重要的作用。
[0003] 現(xiàn)有的螺旋槳推力建模有三種方案。第一種是在推力T和電機(jī)的控制電壓U之間 建立模型，即T = f (U)。該模型只考慮了由電壓U直接控制的螺旋槳轉(zhuǎn)速n，而未考慮因船 體航行產(chǎn)生的伴流、海流速度的影響。第二種方案是將通過(guò)敞水實(shí)驗(yàn)得到的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩 系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系用近似的函數(shù)擬合出螺旋槳的性能曲線，研究重點(diǎn)在于分析螺旋槳 的性能，未建立螺旋槳推力模型。且只考慮了來(lái)流和螺旋槳軸線在一條直線上的情況，未考 慮伴流、海流、螺旋槳轉(zhuǎn)速的影響，未給出螺旋槳推力的具體解析模型。第三種方案是根據(jù) 螺旋槳基本理論建立模型，并采用參數(shù)辨識(shí)的方法對(duì)螺旋槳模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。該方法需 要有實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)才能進(jìn)行，而由于水下航行器運(yùn)行的特殊環(huán)境，實(shí)驗(yàn)條件受到限制，實(shí)際 測(cè)量數(shù)據(jù)在一般研究中很難得到，且該模型未考慮海流的影響。
[0004] 因此本發(fā)明提出了一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法，該方法基于流體力學(xué) 軟件對(duì)螺旋槳的推力進(jìn)行分析，建立螺旋槳推力模型。本發(fā)明結(jié)合實(shí)際海底環(huán)境，在螺旋槳 推力和螺旋槳轉(zhuǎn)速、船體航行速度之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系，考慮了伴流以及海流對(duì)螺旋槳推力 的影響，提高了上述第一、二種方案的螺旋槳推力模型的精度，克服了第三種方案中需要海 底實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法，該 方法基于流體力學(xué)軟件對(duì)螺旋槳的推力進(jìn)行分析，考慮因船體航行產(chǎn)生的伴流、螺旋槳轉(zhuǎn) 速以及海流速度對(duì)螺旋槳推力的影響，采用曲面擬合的方式建立螺旋槳推力模型。本發(fā)明 結(jié)合實(shí)際海底環(huán)境，在螺旋槳推力和螺旋槳轉(zhuǎn)速、船體航行速度之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系，且考慮 海流大小和方向?qū)ν屏Φ挠绊?，提高了螺旋槳推力模型的精度，增?qiáng)了模型輔助導(dǎo)航系統(tǒng) 的準(zhǔn)確性。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明水下航行器的螺旋槳推力建模方法，該方法基于流體力學(xué)軟件對(duì)螺旋槳的 推力進(jìn)行分析，以水下航行器為研究對(duì)象，所述水下航行器包括船身和螺旋槳，所述螺旋槳 位于船身的尾部。該方法具體包括以下幾個(gè)步驟：
[0008] 步驟1 :計(jì)算船體航行時(shí)產(chǎn)生的伴流速度：
[0009] 步驟1. 1 :確定船身的物理模型和計(jì)算域：根據(jù)水下航行器船身的實(shí)際尺寸，繪制 其物理模型，并確定船身計(jì)算域；
[0010] 步驟1. 2 :船身計(jì)算域的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置：船身計(jì)算域中臨近船身壁面 1/5至2/5計(jì)算域半徑的區(qū)域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；將入口設(shè)置 為速度入口條件，船身設(shè)置為固壁面；
[0011] 步驟1. 3 :計(jì)算船體航行時(shí)船身尾部進(jìn)入螺旋槳盤(pán)面處的伴流：在流體力學(xué)軟件 中設(shè)置水下實(shí)際環(huán)境參數(shù)，計(jì)算出船體以不同速度u航行時(shí)船身產(chǎn)生的伴流速度，并保存 尾部進(jìn)入螺旋槳盤(pán)面處的伴流速度；
[0012] 步驟2 :確定螺旋槳的物理模型和計(jì)算域：根據(jù)螺旋槳的實(shí)際尺寸，繪制其物理模 型，并確定螺旋槳計(jì)算域；
[0013] 步驟3 :螺旋槳的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置：螺旋槳計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分，螺 旋槳的旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且設(shè)置為靜止區(qū)域；將入 口設(shè)置為速度入口條件，出口設(shè)置為壓力出口條件；
[0014] 步驟4 :計(jì)算螺旋槳推力:考慮伴流對(duì)螺旋槳推力的影響，在流體力學(xué)軟件中設(shè) 置螺旋槳不同的轉(zhuǎn)速n，并將步驟1. 3中計(jì)算出的伴流速度作為螺旋槳計(jì)算域的入口速度， 采用k- e湍流模型分別計(jì)算出船體航行速度u與螺旋槳轉(zhuǎn)速n對(duì)應(yīng)的螺旋槳推力T的離 散值；
[0015] 步驟5 :建立螺旋槳推力解析模型：
[0016] 假設(shè)海流速度為V，海流與船體航行方向之間的夾角為0，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為 負(fù)，則沿著螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸和垂直于螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸的海流速度分別為VCOS0和vsine ;考慮 到海流的影響，入口速度涉及船體航行速度u和沿著螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸的海流速度vcos 0 ;根 據(jù)步驟4中計(jì)算出來(lái)的螺旋槳推力T離散值，采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行曲面擬合，建立海流 存在時(shí)螺旋槳推力T與螺旋槳轉(zhuǎn)速n、船體的航行速度u、海流速度V、以及海流與船體航行 方向之間的夾角 0之間的解析模型1 = €(11，￥，]1，0):
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法，其特征在于，該方法基于流體力學(xué)軟件對(duì) 螺旋槳的推力進(jìn)行分析，以水下航行器為研究對(duì)象，所述水下航行器包括船身（1)和螺旋 槳（2)，所述螺旋槳（2)位于船身（1)的尾部；該方法具體包括以下幾個(gè)步驟： 步驟1 :計(jì)算船體航行時(shí)船身（1)產(chǎn)生的伴流速度： 步驟1. 1 :確定船身（1)的物理模型和計(jì)算域：根據(jù)水下航行器船身（1)的實(shí)際尺寸， 繪制其物理模型，并確定船身計(jì)算域； 步驟1. 2 :船身計(jì)算域的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置：船身計(jì)算域中臨近船身（1)壁面占 總計(jì)算域1/5至2/5的區(qū)域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；將入口設(shè)置為 速度入口條件，船身（1)設(shè)置為固壁面； 步驟1. 3 :計(jì)算船體航行時(shí)船身尾部進(jìn)入螺旋槳盤(pán)面處的伴流速度：在流體力學(xué)軟件 中設(shè)置水下實(shí)際環(huán)境參數(shù)，計(jì)算出船體以不同速度u航行時(shí)船身（1)產(chǎn)生的伴流，并保存進(jìn) 入螺旋槳盤(pán)面處伴流的速度； 步驟2 :確定螺旋槳（2)的物理模型和計(jì)算域：根據(jù)螺旋槳（2)的實(shí)際尺寸，繪制其物 理模型，并確定螺旋槳計(jì)算域； 步驟3 :螺旋槳（2)的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置：螺旋槳計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分，螺 旋槳（2)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且設(shè)置為靜止區(qū)域；將 入口設(shè)置為速度入口條件，出口設(shè)置為壓力出口條件； 步驟4 :計(jì)算螺旋槳推力T:考慮伴流對(duì)螺旋槳推力的影響，在流體力學(xué)軟件中設(shè)置螺 旋槳不同的轉(zhuǎn)速n，并將步驟1. 3中計(jì)算出的伴流速度作為螺旋槳計(jì)算域的入口速度，采用 k-e湍流模型分別計(jì)算出螺旋槳不同轉(zhuǎn)速n下船體不同航行速度u對(duì)應(yīng)的螺旋槳推力T的 離散值； 步驟5:建立螺旋槳推力解析模型： 假設(shè)海流速度為v，海流與船體航行方向之間的夾角為0，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)， 則沿著螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸和垂直于螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸的海流速度分別為vcose和vsin0;考慮到 海流的影響，入口速度涉及船體航行速度u和沿著螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸的海流速度vcos0 ;根據(jù) 步驟4中計(jì)算出來(lái)的螺旋槳推力T離散值，采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行曲面擬合，建立海流存 在時(shí)螺旋槳推力T與螺旋槳轉(zhuǎn)速n、船體的航行速度u、海流速度V、以及海流與船體航行方 向之間的夾角Q之間的解析模型T=f(u，v，n, 0):
式（1)中，T為海流存在時(shí)螺旋槳推力、n為螺旋槳轉(zhuǎn)速、u為船體的航行速度，v為海 流速度，Q為海流與船體航行方向之間的夾角，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)；P、q為擬合函數(shù) 的階數(shù)，P、q= 1，2, 3--，N,N為自然數(shù)，ay為模型的擬合系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器的螺旋槳推力建模方法，其特征在于，所述船身 計(jì)算域半徑為船身（1)實(shí)際寬度的4一5倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器的螺旋槳推力建模方法，其特征在于，所述螺旋 槳計(jì)算域半徑為實(shí)際螺旋槳半徑尺寸的4一5倍，出口距離螺旋槳尾部為螺旋槳直徑長(zhǎng)度 的8倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器的螺旋槳推力建模方法，其特征在于，所述螺旋 槳轉(zhuǎn)速為正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水下航行器的螺旋槳推力建模方法。該方法基于流體力學(xué)軟件對(duì)螺旋槳的推力進(jìn)行分析，考慮因船體行駛產(chǎn)生的伴流、螺旋槳轉(zhuǎn)速以及海流速度對(duì)螺旋槳推力的影響，采用曲面擬合的方式建立螺旋槳推力模型。本發(fā)明結(jié)合實(shí)際海底環(huán)境，在螺旋槳推力和螺旋槳轉(zhuǎn)速、船體航行速度、海流速度之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系，提高了螺旋槳推力模型的準(zhǔn)確度。本發(fā)明主要應(yīng)用于水下航行器模型輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中，由測(cè)量得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速即可推算出船體航行的速度，增強(qiáng)了模型輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104573226
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510003603
【發(fā)明人】程向紅, 王陽(yáng)陽(yáng)
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日