AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验
发布时间：2021-02-04 12:57
针对矢量推进模式下的AUV水动力性能和操纵性能,开展了AUV矢量推进水动力CFD计算,对矢量推进水平回转操纵性进行了评估,加工了矢量推进样机,并进行湖上操纵性验证。理论计算和试验数据表明:矢量推进具备极高的低速操纵性,该研究为矢量推进在AUV上的应用提供了理论和技术基础。
【文章来源】：数字海洋与水下攻防. 2020,3(04)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
坐标系定义Fig.1Definitionofcoordinatesystem
第4期李雨田，等：AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验·289·布局、多推进器布局、矢量推进布局等。AUV矢量推进是指在AUV尾部中轴线布置1个主推进器，通过控制推进器转速和推进器偏转角实现AUV的操纵。相比舵控，矢量推进可以在极低速度下实现高操纵性；相比多推进器，矢量推进在空间布置及尺寸要求上有相对的优势。因此，矢量推进在水下无人航行器推进及操纵中有好的应用前景。1矢量推进水动力计算1.1坐标系定义考虑到研究对象为矢量推进器，在分析时设定艇体绝对坐标系和艇体局部坐标系2个坐标系。1）艇体绝对坐标系（OXYZ）：坐标原点位于球头圆心处，X轴与航行器轴线重合，从航行器头部指向尾部为正，垂直方向为Y方向，向上为正，Z方向按右手法则确定。2）艇体局部坐标系（SSSOXYZ）：坐标原点位于球头圆心处，SX轴与推进器轴线重合，从导管入口指向出口为正，与推进器轴线和航行器轴线确定平面垂直的方向为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方向按右手法则确定。当航行器处于直航状态，即推进器偏转角为0时，绝对坐标系（OXYZ）和局部坐标系（SSSOXYZ）重合，SX轴和X轴之间的夹角即为推进器水平偏转角，SY轴和Y轴之间的夹角即为推进器垂向偏转角。图1是坐标系定义示意图，图2是推进器矢量偏转角定义示意图。图1坐标系定义Fig.1Definitionofcoordinatesystem图2矢量偏转角定义Fig.2Definitionofvectordeflectionangle1.2水动力计算方法采用CFD方法计算推进器矢量偏转水动力参数，CFD计算控制方程包含连续性方程和RANS方程：()0iiutx()()iijjuuutx2
第4期李雨田，等：AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验·291·图4推进器各部件受力系数与偏转角的关系Fig.4Relationshipbetweenforcecoefficientofeachpartofthrusteranddeflectionangle图5转子扭矩系数与偏转角的关系Fig.5Relationshipbetweenrotortorquecoefficientanddeflectionangle表1、图4和图5中的数据和曲线表明：1）偏转角对导管的受力系数影响比较大，30°偏转角下导管沿SX方向的受力系数是0°直航状态下的2.31倍；2）随着偏转角的增加，转子沿SX方向的受力系数和扭矩系数变化比较平稳，略有增加，与0°直航状态下相比，30°偏转角下转子沿SX方向的受力系数增加了3.4%，扭矩系数增加了4.2%；3）随着偏转角的增加，整个推进单元沿SX方向的受力系数比较平稳，略有增加，与0°直航状态下相比，30°偏转角下整个推进单元沿SX方向的受力系数增加了3.9%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]UUV操纵性设计及流体动力布局[J]. 李雨田,雷敏,雷阳,钱进军. 数字海洋与水下攻防. 2020(02)
[2]无鳍舵矢量推进水下机器人纵向稳定性研究[J]. 张荣敏,陈原,高军. 哈尔滨工程大学学报. 2017(01)
[3]基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法[J]. 陈世利,卫民,李一博,张震宇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(06)
[4]矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真[J]. 王玉,林秀桃,宋诗军,刘玉红,张宏伟,王树新. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(02)
本文编号：3018346
【文章来源】：数字海洋与水下攻防. 2020,3(04)
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【部分图文】：
坐标系定义Fig.1Definitionofcoordinatesystem
第4期李雨田，等：AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验·289·布局、多推进器布局、矢量推进布局等。AUV矢量推进是指在AUV尾部中轴线布置1个主推进器，通过控制推进器转速和推进器偏转角实现AUV的操纵。相比舵控，矢量推进可以在极低速度下实现高操纵性；相比多推进器，矢量推进在空间布置及尺寸要求上有相对的优势。因此，矢量推进在水下无人航行器推进及操纵中有好的应用前景。1矢量推进水动力计算1.1坐标系定义考虑到研究对象为矢量推进器，在分析时设定艇体绝对坐标系和艇体局部坐标系2个坐标系。1）艇体绝对坐标系（OXYZ）：坐标原点位于球头圆心处，X轴与航行器轴线重合，从航行器头部指向尾部为正，垂直方向为Y方向，向上为正，Z方向按右手法则确定。2）艇体局部坐标系（SSSOXYZ）：坐标原点位于球头圆心处，SX轴与推进器轴线重合，从导管入口指向出口为正，与推进器轴线和航行器轴线确定平面垂直的方向为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方向按右手法则确定。当航行器处于直航状态，即推进器偏转角为0时，绝对坐标系（OXYZ）和局部坐标系（SSSOXYZ）重合，SX轴和X轴之间的夹角即为推进器水平偏转角，SY轴和Y轴之间的夹角即为推进器垂向偏转角。图1是坐标系定义示意图，图2是推进器矢量偏转角定义示意图。图1坐标系定义Fig.1Definitionofcoordinatesystem图2矢量偏转角定义Fig.2Definitionofvectordeflectionangle1.2水动力计算方法采用CFD方法计算推进器矢量偏转水动力参数，CFD计算控制方程包含连续性方程和RANS方程：()0iiutx()()iijjuuutx2
第4期李雨田，等：AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验·291·图4推进器各部件受力系数与偏转角的关系Fig.4Relationshipbetweenforcecoefficientofeachpartofthrusteranddeflectionangle图5转子扭矩系数与偏转角的关系Fig.5Relationshipbetweenrotortorquecoefficientanddeflectionangle表1、图4和图5中的数据和曲线表明：1）偏转角对导管的受力系数影响比较大，30°偏转角下导管沿SX方向的受力系数是0°直航状态下的2.31倍；2）随着偏转角的增加，转子沿SX方向的受力系数和扭矩系数变化比较平稳，略有增加，与0°直航状态下相比，30°偏转角下转子沿SX方向的受力系数增加了3.4%，扭矩系数增加了4.2%；3）随着偏转角的增加，整个推进单元沿SX方向的受力系数比较平稳，略有增加，与0°直航状态下相比，30°偏转角下整个推进单元沿SX方向的受力系数增加了3.9%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]UUV操纵性设计及流体动力布局[J]. 李雨田,雷敏,雷阳,钱进军. 数字海洋与水下攻防. 2020(02)
[2]无鳍舵矢量推进水下机器人纵向稳定性研究[J]. 张荣敏,陈原,高军. 哈尔滨工程大学学报. 2017(01)
[3]基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法[J]. 陈世利,卫民,李一博,张震宇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(06)
[4]矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真[J]. 王玉,林秀桃,宋诗军,刘玉红,张宏伟,王树新. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(02)
本文编号：3018346
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