載荷AUV進水過程分析及分離運動仿真

潘光, 魏靜, 陳誠

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.解放軍第94857部隊, 安徽 蕪湖 241007)

近些年來，隨著AUV相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，其已經(jīng)逐漸稱為各種背景下的海洋水下任務(wù)中的首選工具。載荷分離AUV隨著AUV相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及商業(yè)和科研等多方面需求而出現(xiàn)的新型AUV。與現(xiàn)有的其他類AUV相比，多載荷AUV可以同時攜帶多個不同的工作載荷，從而大大提高了AUV的利用率以及經(jīng)濟性。多載荷AUV攜帶的是多個不同的獨立載荷，每個載荷都是一個自封閉的子系統(tǒng)，不同載荷之間僅通過分離機構(gòu)等連接裝置相串接，當(dāng)不發(fā)生分離時，其與多模塊AUV并無區(qū)別，而通過分離，多載荷AUV可以實現(xiàn)不同載荷之間的完全獨立工作，即不同任務(wù)、不同地點，這正是現(xiàn)有的其他各類AUV所缺乏的。

但是，當(dāng)AUV施放載荷時，稍有不慎就有分離后的載荷和運載體發(fā)生撞擊而導(dǎo)致分離失敗的可能，所以，對AUV分離運動過程及分離安全性進行研究具有極高的實用價值?；谝陨媳尘氨疚膶d荷AUV分離進水過程，分離及過程分離后載荷的彈道進行了研究。

1 載荷AUV分離進水過程分析

本文建立的載荷AUV模型是無推力推動的，且具有前后2個平衡艙段和中間的1級載荷段3個部分，其中前平衡艙在航行初期通過進水來增加載荷AUV的重力，隨著重心的變化使其在航行中逐步旋轉(zhuǎn)下潛至分離方位，同時后平衡艙開始進水，隨著重力的增加和重心的偏移，后平衡艙依靠重力分離，載荷脫離開始自由航行到達預(yù)定位置，完成既定任務(wù)。由此可見載荷AUV在分離運動時，通過進水以增加其負浮力，從而實現(xiàn)分離要求，故進水過程的研究與分析具有極高的實用價值。

前、后平衡艙空腔的進水過程屬于涉及空氣、海水的氣液兩相流問題，過程較為復(fù)雜。本文運用基于計算流體力學(xué)的VOF多相流技術(shù)[1]，針對前、后平衡艙空腔在靜止情況下進水過程進行數(shù)值模擬，以得到進水體積及質(zhì)量隨時間的變化過程，避免加工模型水池實驗所帶來的周期長、費用高等問題。

為了簡化考慮，也將前、后平衡艙的密封空氣當(dāng)作不可壓縮流體處理，本文中的進水過程即屬于互不摻混的不可壓縮氣/液兩相流問題的范疇[1-2]。則對于整個計算域而言，控制方程[1-2]可表示為：

液相：

(1)

氣相:

(2μGDG)+ρGf·VG=0

(2)

式中：下標L和G分別表示液體和氣體。對于體積力,僅考慮重力的作用,則f即為重力加速度向量。

為精確模擬進水過程,計算域全部采用結(jié)構(gòu)化多塊網(wǎng)格劃分的思路,最終生成了高質(zhì)量的內(nèi)外流場網(wǎng)格,計算生成了一系列前后平衡倉進水過程的進水云圖,通過計算模擬的方式的展示了前后平衡倉進水全過程,以進水后期的前后平衡艙的進水云圖為例,從圖1、圖2可以看出,進水效率較高,最終的進水體積前平衡倉可以達到92%,后平衡倉可以達到95%,滿足無推沖作用下的載荷分離條件。

圖1 前平衡艙進水云圖

圖2 后平衡艙進水云圖

2 載荷AUV分離彈道仿真

當(dāng)載荷AUV在前平衡艙進水的過程中運行到某一預(yù)定分離點后,在航行過程中后平衡艙開始進水,到達分離點實現(xiàn)與搭載單元分離,分離后載荷繼續(xù)自由航行,最終降落到某一位置。載荷在分離后的航行中,有可能發(fā)生觸底、和搭載單元尾部碰撞等現(xiàn)象。彈道仿真的目的就是通過分離姿態(tài)及運行軌跡等的仿真,得到載荷是否安全分離,是否降落到預(yù)定的位置的結(jié)果。

2.1 空間運動動力學(xué)模型

推導(dǎo)載荷AUV的動力學(xué)方程之前,首先假設(shè):

① 載荷AUV單元為剛體;

② 載荷AUV完全浸沒在流體介質(zhì)中,并處于全黏濕狀態(tài)。

載荷AUV的位置在地面坐標系中表示為r=[x0,y0,z0]T,在體坐標系中載荷AUV速度描述為v=[vx,vy,vz]T,在地面坐標系中描述其姿態(tài)為Θ=[θ,ψ,φ]T,角速度描述為ω=[ωx,ωy,ωz]T[6],載荷AUV在航行過程中具有進水過程,因此在航行過程中其質(zhì)量隨時間是不斷變化的,因此必須考慮變質(zhì)量的問題。相關(guān)的參數(shù)有:質(zhì)量、重力、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量及慣性積。由于本文研究的是縱向運動則載荷AUV的運動學(xué)方程組[5-6]為:

(3)

(4)

式中：Amλ為慣性矩陣,Avω為速度矩陣,AFM為力矩陣,且

式中：

在此需要特別注意的是雖然分離前AUV整體及分離后載體段與載荷段的運動都是建立在以其各自浮心為原點的體坐標系中的,但是由于分離運動造成坐標原點的改變使得開始分離后載體段和載荷段的初始條件變得較為復(fù)雜。由于分離之后新的坐標原點和舊的坐標原點不重合,故不能把AUV分離前一時刻的運動參數(shù)作為分離后載荷段和載體段的初始條件,因此將舊體坐標系(AUV浮心為原點的體坐標系)中的載體段和載荷段的坐標投影到地面坐標系中得到載體段和載荷段的初始坐標,再通過坐標轉(zhuǎn)換得到載體段和載荷段最終的運動初始條件進行下一步的計算。

2.2 典型工況下的彈道仿真結(jié)果

以載荷段用于布雷為例(即分離后載荷段具有錨雷的特性),本文研究了不同進水時間及不同初始速度條件下載荷AUV彈道曲線及分離后載荷的彈道曲線,具體如下:

1) 前平衡艙不同進水時間的載荷AUV分離彈道仿真結(jié)果

設(shè)定彈道傾角為-60°時到達載荷分離時刻,假設(shè)初始深度為-10 m,海底深度為-150 m,載荷AUV初始速度vx為2.57 m/s,vy為0,vz為0,俯仰角θ為0,前平衡艙進滿水的時間不同對載荷段和后平衡艙段分離及其分離后的航行具有很大的影響,因此本文對前平衡艙進水時間為3 s、5 s的工況做了彈道仿真,結(jié)果如下:

圖3 前平衡倉進水3 s時彈道仿真結(jié)果示意圖 圖4 前平衡倉進水5 s時彈道仿真結(jié)果示意圖

通過仿真得到的彈道曲線(見圖3和圖4)可以看出,前平衡艙進滿水的時間越短,雷體到達分離狀態(tài)的時間越短,航行損耗越小,而且分離后水雷的彈道軌跡與后平衡艙的彈道軌跡沒有相交的部分,證明分離后的動作過程中水雷不會與后平衡艙相碰,具有可靠的安全性。

2) 不同航行速度的載荷AUV分離彈道仿真結(jié)果

設(shè)定彈道傾角為-90°時到達載荷分離時刻,按照水池實驗?zāi)Ｐ蜅l件,假設(shè)初始深度為-0.5 m,海底深度為-150 m,載荷AUV初始速度vx不定,vy為0,vz為0,俯仰角θ為0,平衡艙進水速度不變的情況下,由于載荷AUV初始速度vx不同對載荷段和后平衡艙段分離及其分離后的航行具有很大的影響,因此本文對初始速度vx為0 kn,2 kn的工況做了彈道仿真,結(jié)果如下:

圖5 初始速度為0 kn時彈道仿真結(jié)果示意圖 圖6 初始速度為2 kn時彈仿真結(jié)果示意圖

按照水池實驗?zāi)Ｐ蜅l件，利用所建立的數(shù)學(xué)模型對其分離彈道進行仿真，仿真結(jié)果(見圖5、圖6)與實驗結(jié)果吻合較好，同時也證明了在不大于2 kn速度航行分離后載荷的彈道軌跡與后平衡艙的彈道軌跡沒有相交的部分，證明了彈道仿真結(jié)果的可靠性。

3 結(jié) 論

本文運用基于計算流體力學(xué)的VOF多相流技術(shù)，針對載荷AUV前、后平衡艙空腔在靜止情況下的進水過程進行了數(shù)值模擬，以得到進水體積及質(zhì)量隨時間的變化過程，并對前平衡艙不同進水速度及不同初始速度作用下載荷AUV的彈道及分離后載荷的彈道進行了仿真，并與水池實驗結(jié)果進行比對分析，證明了彈道仿真結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果具有一定的工程應(yīng)用價值，對多載荷AUV水下分離運動進一步的研究具有指導(dǎo)意義。

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