一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模型辅助领域，具体涉及一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法，基 于流体力学软件对螺旋桨的推力进行分析。
【背景技术】
[0002] 水下航行器作为海洋探测的重要工具，可靠的状态测量方法是水下航行器能够到 达指定地点并完成相应任务的关键。由于深海环境复杂、工作时间长，同时还有精度、可靠 性等要求，一般的状态测量仪器（如多普勒定位仪）可能会因为海底复杂的环境无法正常 工作。为了得到水下航行器实时的运动状态，采用数学解析模型推算水下航行器的运动状 态的方法被提出。在该模型中需要考虑水下航行器所受到的黏性类水动力、惯性类水动力、 静力（重力、浮力）以及螺旋桨的推力，其中螺旋桨的推力模型对整个模型的准确性起着极 其重要的作用。
[0003] 现有的螺旋桨推力建模有三种方案。第一种是在推力T和电机的控制电压U之间 建立模型，即T = f (U)。该模型只考虑了由电压U直接控制的螺旋桨转速n，而未考虑因船 体航行产生的伴流、海流速度的影响。第二种方案是将通过敞水实验得到的推力系数、转矩 系数与进速系数的关系用近似的函数拟合出螺旋桨的性能曲线，研究重点在于分析螺旋桨 的性能，未建立螺旋桨推力模型。且只考虑了来流和螺旋桨轴线在一条直线上的情况，未考 虑伴流、海流、螺旋桨转速的影响，未给出螺旋桨推力的具体解析模型。第三种方案是根据 螺旋桨基本理论建立模型，并采用参数辨识的方法对螺旋桨模型进行参数识别。该方法需 要有实验测量数据才能进行，而由于水下航行器运行的特殊环境，实验条件受到限制，实际 测量数据在一般研究中很难得到，且该模型未考虑海流的影响。
[0004] 因此本发明提出了一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法，该方法基于流体力学 软件对螺旋桨的推力进行分析，建立螺旋桨推力模型。本发明结合实际海底环境，在螺旋桨 推力和螺旋桨转速、船体航行速度之间建立数学关系，考虑了伴流以及海流对螺旋桨推力 的影响，提高了上述第一、二种方案的螺旋桨推力模型的精度，克服了第三种方案中需要海 底实测数据的困难。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法，该 方法基于流体力学软件对螺旋桨的推力进行分析，考虑因船体航行产生的伴流、螺旋桨转 速以及海流速度对螺旋桨推力的影响，采用曲面拟合的方式建立螺旋桨推力模型。本发明 结合实际海底环境，在螺旋桨推力和螺旋桨转速、船体航行速度之间建立数学关系，且考虑 海流大小和方向对推力的影响，提高了螺旋桨推力模型的精度，增强了模型辅助导航系统 的准确性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明水下航行器的螺旋桨推力建模方法，该方法基于流体力学软件对螺旋桨的 推力进行分析，以水下航行器为研究对象，所述水下航行器包括船身和螺旋桨，所述螺旋桨 位于船身的尾部。该方法具体包括以下几个步骤：
[0008] 步骤1 :计算船体航行时产生的伴流速度：
[0009] 步骤1. 1 :确定船身的物理模型和计算域：根据水下航行器船身的实际尺寸，绘制 其物理模型，并确定船身计算域；
[0010] 步骤1. 2 :船身计算域的网格划分和边界条件设置：船身计算域中临近船身壁面 1/5至2/5计算域半径的区域内采用非结构化网格，其他区域采用结构化网格；将入口设置 为速度入口条件，船身设置为固壁面；
[0011] 步骤1. 3 :计算船体航行时船身尾部进入螺旋桨盘面处的伴流：在流体力学软件 中设置水下实际环境参数，计算出船体以不同速度u航行时船身产生的伴流速度，并保存 尾部进入螺旋桨盘面处的伴流速度；
[0012] 步骤2 :确定螺旋桨的物理模型和计算域：根据螺旋桨的实际尺寸，绘制其物理模 型，并确定螺旋桨计算域；
[0013] 步骤3 :螺旋桨的网格划分和边界条件设置：螺旋桨计算域采用混合网格划分，螺 旋桨的旋转区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格，且设置为静止区域；将入 口设置为速度入口条件，出口设置为压力出口条件；
[0014] 步骤4 :计算螺旋桨推力:考虑伴流对螺旋桨推力的影响，在流体力学软件中设 置螺旋桨不同的转速n，并将步骤1. 3中计算出的伴流速度作为螺旋桨计算域的入口速度， 采用k- e湍流模型分别计算出船体航行速度u与螺旋桨转速n对应的螺旋桨推力T的离 散值；
[0015] 步骤5 :建立螺旋桨推力解析模型：
[0016] 假设海流速度为V，海流与船体航行方向之间的夹角为0，顺时针为正，逆时针为 负，则沿着螺旋桨旋转轴和垂直于螺旋桨旋转轴的海流速度分别为VCOS0和vsine ;考虑 到海流的影响，入口速度涉及船体航行速度u和沿着螺旋桨旋转轴的海流速度vcos 0 ;根 据步骤4中计算出来的螺旋桨推力T离散值，采用最小二乘法对其进行曲面拟合，建立海流 存在时螺旋桨推力T与螺旋桨转速n、船体的航行速度u、海流速度V、以及海流与船体航行 方向之间的夹角 0之间的解析模型1 = €(11，￥，]1，0):
[0017]
【主权项】
1. 一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法，其特征在于，该方法基于流体力学软件对 螺旋桨的推力进行分析，以水下航行器为研究对象，所述水下航行器包括船身（1)和螺旋 桨（2)，所述螺旋桨（2)位于船身（1)的尾部；该方法具体包括以下几个步骤： 步骤1 :计算船体航行时船身（1)产生的伴流速度： 步骤1. 1 :确定船身（1)的物理模型和计算域：根据水下航行器船身（1)的实际尺寸， 绘制其物理模型，并确定船身计算域； 步骤1. 2 :船身计算域的网格划分和边界条件设置：船身计算域中临近船身（1)壁面占 总计算域1/5至2/5的区域内采用非结构化网格，其他区域采用结构化网格；将入口设置为 速度入口条件，船身（1)设置为固壁面； 步骤1. 3 :计算船体航行时船身尾部进入螺旋桨盘面处的伴流速度：在流体力学软件 中设置水下实际环境参数，计算出船体以不同速度u航行时船身（1)产生的伴流，并保存进 入螺旋桨盘面处伴流的速度； 步骤2 :确定螺旋桨（2)的物理模型和计算域：根据螺旋桨（2)的实际尺寸，绘制其物 理模型，并确定螺旋桨计算域； 步骤3 :螺旋桨（2)的网格划分和边界条件设置：螺旋桨计算域采用混合网格划分，螺 旋桨（2)的旋转区域采用非结构化网格；其他区域采用结构化网格，且设置为静止区域；将 入口设置为速度入口条件，出口设置为压力出口条件； 步骤4 :计算螺旋桨推力T:考虑伴流对螺旋桨推力的影响，在流体力学软件中设置螺 旋桨不同的转速n，并将步骤1. 3中计算出的伴流速度作为螺旋桨计算域的入口速度，采用 k-e湍流模型分别计算出螺旋桨不同转速n下船体不同航行速度u对应的螺旋桨推力T的 离散值； 步骤5:建立螺旋桨推力解析模型： 假设海流速度为v，海流与船体航行方向之间的夹角为0，顺时针为正，逆时针为负， 则沿着螺旋桨旋转轴和垂直于螺旋桨旋转轴的海流速度分别为vcose和vsin0;考虑到 海流的影响，入口速度涉及船体航行速度u和沿着螺旋桨旋转轴的海流速度vcos0 ;根据 步骤4中计算出来的螺旋桨推力T离散值，采用最小二乘法对其进行曲面拟合，建立海流存 在时螺旋桨推力T与螺旋桨转速n、船体的航行速度u、海流速度V、以及海流与船体航行方 向之间的夹角Q之间的解析模型T=f(u，v，n, 0):
式（1)中，T为海流存在时螺旋桨推力、n为螺旋桨转速、u为船体的航行速度，v为海 流速度，Q为海流与船体航行方向之间的夹角，顺时针为正，逆时针为负；P、q为拟合函数 的阶数，P、q= 1，2, 3--，N,N为自然数，ay为模型的拟合系数。
2. 根据权利要求1所述的水下航行器的螺旋桨推力建模方法，其特征在于，所述船身 计算域半径为船身（1)实际宽度的4一5倍。
3. 根据权利要求1所述的水下航行器的螺旋桨推力建模方法，其特征在于，所述螺旋 桨计算域半径为实际螺旋桨半径尺寸的4一5倍，出口距离螺旋桨尾部为螺旋桨直径长度 的8倍。
4. 根据权利要求1所述的水下航行器的螺旋桨推力建模方法，其特征在于，所述螺旋 桨转速为正转或者反转。
【专利摘要】本发明公开了一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法。该方法基于流体力学软件对螺旋桨的推力进行分析，考虑因船体行驶产生的伴流、螺旋桨转速以及海流速度对螺旋桨推力的影响，采用曲面拟合的方式建立螺旋桨推力模型。本发明结合实际海底环境，在螺旋桨推力和螺旋桨转速、船体航行速度、海流速度之间建立数学关系，提高了螺旋桨推力模型的准确度。本发明主要应用于水下航行器模型辅助导航系统中，由测量得到的螺旋桨转速即可推算出船体航行的速度，增强了模型辅助导航系统的准确性。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104573226
【申请号】CN201510003603
【发明人】程向红, 王阳阳
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月5日