基于AMESim 水下復(fù)雜均衡系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

錢 宇，徐仁超，胡浩龍

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深?？茖W(xué)技術(shù)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引言

中、大型潛水器在研發(fā)之前，需要設(shè)計(jì)船模試驗(yàn)，即自航模試驗(yàn)，通過縮比模型試驗(yàn)，從而獲得較為可靠的水動(dòng)力參數(shù)。為此，均衡系統(tǒng)在自航模水下試驗(yàn)過程中必不可少。一般情況下，潛水器均衡系統(tǒng)包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和縱傾平衡系統(tǒng)，浮力調(diào)整系統(tǒng)主要維持水下剩余浮力不變，縱傾平衡系統(tǒng)主要保持潛水器零縱傾或規(guī)定的縱傾，達(dá)到穩(wěn)定安全航行的狀態(tài)[1]。

在此方面，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心開展了大深度潛水器均衡系統(tǒng)研究，優(yōu)化了海水泵式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及泵送水銀式縱傾平衡系統(tǒng)的方案，并成功應(yīng)用于“蛟龍”號(hào)[2–3]。水下AUV 主要采用皮囊式或活塞式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過油泵的吸排油，改變皮囊或活塞的體積，從而改變水下排水體積，達(dá)到浮力調(diào)節(jié)的功能[4–5]。潛艇浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常采用舷外自流注水，改變自身重量；縱傾平衡系統(tǒng)通常采用用氣前后調(diào)水的方式[6–7]。

以上方案或由于介質(zhì)不同，或由于浮力、縱傾相互獨(dú)立，占用空間較大，均無法在自航模上應(yīng)用。因此，針對(duì)自航模的工況需求，提出一種兼顧浮力調(diào)節(jié)與縱傾平衡的復(fù)雜均衡系統(tǒng)，即通過單個(gè)水泵及閥組實(shí)現(xiàn)均衡系統(tǒng)的過程。同時(shí)，基于AMESim 軟件建立了系統(tǒng)模型，對(duì)均衡過程進(jìn)行了仿真模擬。此外，對(duì)模擬過程中出現(xiàn)流量分布不均的問題進(jìn)行了優(yōu)化。

1 均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

本文提出的復(fù)雜均衡系統(tǒng)，其原理如圖1 所示。系統(tǒng)主要由水泵、電磁閥組、傳感器、止回閥、首尾水艙等設(shè)備組成。當(dāng)系統(tǒng)注水時(shí)，外界水通過吸入濾器、電磁閥5，由水泵打壓后，分別通過電磁閥2、電磁閥4，流入首尾水艙；當(dāng)系統(tǒng)排水時(shí)，首尾水艙通過電磁閥1、電磁閥3，由水泵經(jīng)壓力計(jì)排出站體外；當(dāng)需要進(jìn)行尾向首調(diào)水時(shí)，電磁閥2、電磁閥3、流量計(jì)、壓力計(jì)關(guān)閉，尾部水艙水經(jīng)電磁閥1、水泵、電磁閥4 調(diào)入首部水艙；當(dāng)需要進(jìn)行首向尾調(diào)水時(shí)，電磁閥1、電磁閥4、流量計(jì)、壓力計(jì)關(guān)閉，首部水艙水經(jīng)電磁閥3、水泵、電磁閥2 調(diào)入尾部水艙。首尾水艙密閉，不僅承受外界海水壓力，同時(shí)承受由內(nèi)部水量變化引起的內(nèi)壓變化。

圖1 均衡系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of equalization system

根據(jù)圖1 均衡系統(tǒng)原理圖可知，隨著多次進(jìn)行均衡后，首尾水艙的空氣壓力會(huì)不相等，從而使得首尾兩端的負(fù)載壓力不等。若當(dāng)尾部水艙總背壓大于首部水艙總背壓時(shí)，流入尾部水艙的流量小于流入首部水艙的流量。在均衡過程中易造成過度首傾；反之，易造成過度尾傾，影響系統(tǒng)的運(yùn)行，危及自航模航行安全。

1.2 分流集流閥流量方程

在前后水艙頂部采用通氣管連接，保證兩側(cè)水艙內(nèi)密閉空氣壓力一致，可極大減小背壓不等的問題，僅存在兩側(cè)管路沿程阻力損失和局部阻力損失。但由于模型外形結(jié)構(gòu)及工作方式限制，無法采用該方法，因此本文提出在分流集流處增加分流集流閥，通過分流集流閥的壓力反饋，改變相應(yīng)閥口的大小，從而達(dá)到流量均分的效果。

分流集流閥通過固定節(jié)流孔1、固定節(jié)流孔2 的流量Q1和Q2方程為：

式中：Cd為固定節(jié)流孔流量系數(shù)；d1和d2分別為固定節(jié)流孔1、固定節(jié)流孔2 的直徑，d1=d2；P1和P2為固定節(jié)流孔1、固定節(jié)流孔2 后的壓力；P0為閥前輸入壓力；ρ為介質(zhì)密度。

若不考慮閥芯內(nèi)間隙泄漏和外泄漏，通過可變節(jié)流孔A、可變節(jié)流孔B 后的分流集流閥輸出流量QA和QB方程為：

式中：PA和PB為可變節(jié)流孔A、可變節(jié)流孔B出口的壓力；Cd為可變節(jié)流孔流量系數(shù)；x為閥芯位移；W1和W2為可變節(jié)流孔A、可變節(jié)流孔B的面積梯度。

在均衡過程中，由于水艙處在水下一定深度，因此可認(rèn)為密閉水艙內(nèi)的空氣溫度幾乎不變，忽略溫度對(duì)空氣的影響，單個(gè)水艙的空氣壓力與體積的狀態(tài)方程如下：

式中：Pa1為狀態(tài)1 下的空氣壓力；Va1為狀態(tài)1 下的空氣體積；Pa2為狀態(tài)2 下的空氣壓力；Va2為狀態(tài)2 下的空氣體積；V為水艙容積；q為狀態(tài)1 到狀態(tài)2 過程中的注排水速率。

分流集流閥A、分流集流閥B口單路流量的精度方程如下：

式中，δ為分流集流精度。

由上述公式可知，當(dāng)兩側(cè)水箱壓力不一致時(shí)，兩側(cè)的流量也會(huì)隨之不同。因此，對(duì)兩側(cè)水箱注排水的均流性能造成一定影響。

1.3 優(yōu)化后的均衡系統(tǒng)

優(yōu)化后的系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的均衡系統(tǒng)Fig.2 Optimized equalization system

2 仿真模型的建立

2.1 分流集流閥模型

利用AMESim 軟件，根據(jù)分流集流閥原理，建立分流集流閥子模型，如圖3 所示。模型相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖3 分流集流閥模型Fig.3 Model of flow divider and combiner valve

表1 分流集流閥模型參數(shù)Tab.1 The parameter of flow divider and combiner valve

2.2 均衡系統(tǒng)模型

根據(jù)均衡系統(tǒng)原理，建立仿真模型，在增加分流集流閥后，為減小閥壓降造成水泵輸出流量的影響，在分流集流閥出口端并聯(lián)可變節(jié)流孔。注排水過程中，節(jié)流孔全閉；縱傾調(diào)節(jié)過程中，節(jié)流孔全開。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

當(dāng)自航模在均衡過程中，其深度變化不大，因此可將外界海水壓力設(shè)置為0.3 MPa 固定不變。水泵流量5 L/min。同時(shí)，為更好進(jìn)行均衡過程對(duì)比，采用相同工況及運(yùn)行時(shí)間作為典型標(biāo)準(zhǔn)，工況順序表如表2 所示。

表2 均衡系統(tǒng)工況順序表Tab.2 The operating sequence table of equalization system

3.2 仿真結(jié)果分析

優(yōu)化前系統(tǒng)流量如圖4 所示，首尾水艙壓力如圖5所示。由圖可知，首尾水艙初始?jí)毫鶠? bar，2 支管流量也一致，為2.5 L/min。0～50 s 注水期間，隨著密閉水艙內(nèi)注水，水艙內(nèi)的氣壓逐漸升高，氣壓和流量并始終保持一致，在50 s 時(shí)，氣壓均達(dá)到2.043 bar。50～150 s 尾向首調(diào)水期間，流量保持5 L/min 不變，但此時(shí)隨著尾部水艙調(diào)出水量，首部水艙調(diào)入水量，尾部水艙氣壓逐漸降低，首部水艙氣壓繼續(xù)持續(xù)升高。在150 s 時(shí)，首部水艙氣壓升至2.233 bar，尾部水艙氣壓下降至1.882 bar。150～200 s 再注水期間，由于首部水艙氣壓大于尾部水艙氣壓，形成水泵和首部水艙共同向尾部水艙注水，因此初始注水速率高達(dá)16.49 L/min，同時(shí)艏部水艙氣壓減小，尾部水艙氣壓迅速增大。此階段氣壓的升降并非線性，在200 s 時(shí)，首部水艙氣壓降低至2.116 bar，尾部水艙氣壓升高至2.059 bar。200～230 s 首向尾調(diào)水期間，流量繼續(xù)保持5 L/min 不變，首部水艙氣壓減小，尾部水艙氣壓增大。在230 s時(shí)，首部水艙氣壓繼續(xù)降低至2.062 bar，尾部水艙氣壓升高至2.113 bar。230～300 s 排水期間，兩側(cè)水艙氣壓不同，尾部略高于首部，因此在排水初期，排水將首先從尾部水艙排水，然后逐漸從兩側(cè)水箱同時(shí)排水，并逐漸趨向流量一致，此時(shí)隨著排水時(shí)間越長(zhǎng)，首尾水艙氣壓也逐漸趨于相同。

圖4 優(yōu)化前均衡系統(tǒng)流量曲線圖Fig.4 Flow chart of equalization system

圖5 首尾水艙空氣壓力曲線圖Fig.5 Air pressure curve of water tanks

優(yōu)化后的系統(tǒng)流量如圖6 所示，首尾水艙壓力如圖7 所示。

圖6 優(yōu)化后均衡系統(tǒng)流量曲線Fig.6 Flow chart of optimized equalization system

圖7 優(yōu)化后水艙氣壓曲線圖Fig.7 Air pressure curve of water tanks

由圖可知，由于初始環(huán)境條件相同，0～150 s 的均衡工況與優(yōu)化前完全一致。在150～200 s 再次注水過程中，由于分流集流閥的作用，注水后兩側(cè)分流的情況明顯較好，不會(huì)隨著水艙氣壓的變化而改變。此時(shí)，首部水艙支流的流量約為2.41 L/min，尾部水艙支流的流量約為2.60 L/min。在200 s 末，首部水艙氣壓為2.284 bar，尾部水艙氣壓為1.922 bar。200～230 s 首向尾調(diào)水情況與之前一致。在230 s 末，首尾水艙氣壓降低至2.220 bar，尾部水艙氣壓升高至1.969 bar。230～300 s 排水期間，分流集流閥同樣具有較好的作用，從首尾水艙同時(shí)吸水排出，首部支流流量為2.44 L/min，尾部支流流量為2.56 L/min。此時(shí)，水艙氣壓也逐漸呈線性降低，在300 s 末，首部水艙氣壓為2.149 bar，尾部水艙氣壓降低至1.916 bar。

仿真結(jié)果表明，增加分流集流閥，明顯改善了不同密閉水艙注排水流量不均的問題，單路流量分流精度達(dá)3.8%，集流精度達(dá)2.4%，滿足自航模安全航行要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文提出一種復(fù)雜均衡系統(tǒng)的原理方案，該系統(tǒng)采用單一泵源和閥組，實(shí)現(xiàn)了浮力調(diào)節(jié)和縱傾平衡的功能。通過理論分析，發(fā)現(xiàn)注排水流量不均的問題。因此，提出基于分流集流閥的優(yōu)化方案。

2）分別建立優(yōu)化前后的均衡系統(tǒng)AMESim 系統(tǒng)模型，通過同一工況仿真對(duì)比。結(jié)果表明，明顯改善了不同密閉水艙注排水流量不均的問題，單路流量分流精度達(dá)3.8%，集流精度達(dá)2.4%。