水下對(duì)接遙控機(jī)器人水動(dòng)力特性研究

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所（中國船舶第七一五研究所） 黃俊雄

在交會(huì)對(duì)接技術(shù)中，水動(dòng)力特性對(duì)ROV（遙控機(jī)器人）作業(yè)的安全性與穩(wěn)定性非常重要，因此，需要對(duì)ROV不同航行模式與機(jī)械臂作業(yè)模式下的水動(dòng)力特性進(jìn)行仿真計(jì)算。首先基于ROV的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)模式分析確定ROV的計(jì)算工況，主要包括直航、橫移、升沉運(yùn)動(dòng)下的工況，根據(jù)ROV不同工況下的模型，確定流域與邊界條件并合理劃分網(wǎng)格；流場(chǎng)仿真計(jì)算模型主要采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、simple算法來求解壓力、速度耦合方程組，離散的代數(shù)方程用greengauss cell based法進(jìn)行求解，對(duì)于流項(xiàng)中的壓力均采用standard方式相差值，離散動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率均可以采用二階迎風(fēng)格式來進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算收斂，得到rov不同航行模式下胡水動(dòng)力系數(shù)，為rov的具體設(shè)計(jì)、部件選型與運(yùn)動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)支撐。

交會(huì)對(duì)接技術(shù)是指UUV與母艇能夠在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下完成精確對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV的能量補(bǔ)充以及UUV與母艇進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的技術(shù)，是無人裝備在深海環(huán)境下開展回收、補(bǔ)給、維修、信息交換等保障服務(wù)的先決條件。通過深海交會(huì)對(duì)接自主控制，突破無人潛航器上艇應(yīng)用的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)隱蔽投送與回收、能源補(bǔ)給和信息交換，顯著提升航程、隱蔽性以及集群對(duì)抗能力。

本項(xiàng)目涉及的水下捕獲對(duì)接技術(shù)是水下母艇利用搭載的遙控機(jī)器人（ROV）捕獲UUV并與之對(duì)接，對(duì)接成功后母艇通過遙控機(jī)器人的臍帶纜對(duì)UUV進(jìn)行充電和傳輸信息。在交會(huì)對(duì)接技術(shù)中，ROV的水動(dòng)力特性參數(shù)對(duì)ROV安全穩(wěn)定工作起到關(guān)鍵作用。本文對(duì)ROV不同航行模式下的水動(dòng)力特性進(jìn)行仿真計(jì)算，得到ROV不同航行模式下的水動(dòng)力系數(shù)，為ROV的具體設(shè)計(jì)、部件選型與運(yùn)動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 ROV主要結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)模式

ROV的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，ROV兩側(cè)對(duì)稱分布四個(gè)相同的機(jī)械臂，在運(yùn)動(dòng)時(shí)抱緊母體，以便進(jìn)行后續(xù)的信息傳遞或者充電等工作。

圖1 ROV三維側(cè)視圖

2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

將上述的三維模型導(dǎo)入ICEM軟件中，設(shè)置流場(chǎng)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，靠近ROV主體的網(wǎng)格，設(shè)置了5層，比例為1.2，并且在邊界處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，模型尖銳處增加了更多的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步加密網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、simple算法來求解壓力、速度耦合方程組，離散的代數(shù)方程用green-gauss cell based法進(jìn)行求解，對(duì)于流項(xiàng)中的壓力均采用standard方式相差值，離散動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率均可以采用二階迎風(fēng)格式來進(jìn)行計(jì)算。

2.1 直航運(yùn)動(dòng)情況

在直航情況下，選取長方體計(jì)算域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側(cè)取6倍體長，上下兩側(cè)取6倍體長。流體的方向選取網(wǎng)格坐標(biāo)系中的x軸正方向，網(wǎng)格流場(chǎng)的流體入口為流場(chǎng)左側(cè)，流場(chǎng)右側(cè)為流量出口，其他均設(shè)置為壁面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為3641893，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.25以上。

2.2 橫移運(yùn)動(dòng)情況

ROV橫移運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)采用長方體計(jì)算區(qū)域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側(cè)取12倍體長，上下兩側(cè)取10倍體長。以Y軸正方向?yàn)樗鞣较颍O(shè)置流場(chǎng)左側(cè)為流量入口，流場(chǎng)右側(cè)為流量出口，其他均設(shè)置為壁面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為1913237，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.25以上。

2.3 升沉運(yùn)動(dòng)情況

在升沉運(yùn)動(dòng)情況下，采用長方體計(jì)算區(qū)域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側(cè)取8倍體長，上下兩側(cè)20取倍體長。以Z軸正方向?yàn)樗鞣较?，設(shè)置流場(chǎng)上側(cè)為流量入口，流場(chǎng)下側(cè)為流量出口，其他均設(shè)置為壁面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為5880317.網(wǎng)格質(zhì)量均在0.25以上。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 直航運(yùn)動(dòng)情況

在直航運(yùn)動(dòng)情況中，ROV以2m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力與速度云圖如圖2、圖3所示，此時(shí)的入口質(zhì)量流量為22993.92kg/s。

圖2 壓力云圖

圖3 速度云圖

取速度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0knot，不改變其他條件，通過設(shè)置入口處質(zhì)量流量，得到每個(gè)速度下的粘性阻力，繪制成曲線，并且根據(jù)阻力系數(shù)計(jì)算公式，繪制對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)曲線，如圖4所示。

圖4 ROV在直航運(yùn)動(dòng)情況下的阻力曲線與阻力系數(shù)曲線

3.2 橫移運(yùn)動(dòng)情況

在橫移運(yùn)動(dòng)情況中，ROV以2m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，流場(chǎng)入口質(zhì)量流量為143712kg/s。按照以上方式繪制曲線，如圖5所示。

圖5 ROV在橫移運(yùn)動(dòng)情況下的阻力曲線與阻力系數(shù)曲線

3.3 升沉運(yùn)動(dòng)情況

在升沉運(yùn)動(dòng)情況中，按照上述方式繪制阻力曲線與阻力系數(shù)曲線，如圖6所示。

圖6 ROV在升沉運(yùn)動(dòng)情況下的阻力曲線與阻力系數(shù)曲線

ROV所受的流體阻力中，以粘壓阻力為主。在ROV直航、橫移、升沉運(yùn)動(dòng)情況中，靜壓主要分布在運(yùn)動(dòng)前端，并且沿縱軸線對(duì)稱分布。當(dāng)速度一定時(shí)，ROV受力面積越大，阻力會(huì)明顯地增大；當(dāng)受力面積一定的時(shí)候，ROV受力隨速度的增長呈現(xiàn)拋物線式的增長，但是阻力系數(shù)卻呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)。從ROV直航、橫移、升沉三種運(yùn)動(dòng)方式的阻力系數(shù)曲線可以看出，阻力系數(shù)隨速度增大并不是嚴(yán)格單調(diào)遞減的，在某一些點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，但是整體是一個(gè)下降的趨勢(shì)。