[发明专利]一种获取水下航行器直航附加质量方法

说明书

本发明提出一种获取水下航行器直航附加质量方法，包括：A、AUV模型导入；B、网格划分；C、网格独立性验证，获得较优网络；D、进行时间步长独立性验证，获得较优的瞬态仿真时间步长；E、网格导入；F、将UDF程序编译并导入fluent中进行瞬态仿真。本发明与传统的基于动网格的CFD方法不同，该方法不需要使用动网格，通过改变流体速度模拟AUV变速的过程，监控阻力值并通过计算求解附加质量。本发明在保证计算精度的同时降低了网格要求且极大的提升了计算速度。为验证本发明准确性，对标准椭圆球分别进行CFD仿真及理论计算。本发明得到的附加质量值与理论计算值偏差小于3％，说明在设计初期，用该方法计算任意外形的AUV直航方向的附加质量结果可靠。

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种水下航行器直航附件质量的求取方法。

背景技术

水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种常用于海洋探测、监察的非标设备。AUV会根据用户使用需求而对壳体进行定制，因此AUV外形不一。为了更好地操纵AUV，就必须先了解其在水中的操纵性。附加质量是物体在理想流体中作非定常运动是所受到的水动力，是潜艇操纵性的其中一个参数。

获得非标AUV附加质量的方法有EFD(Empirical Fluid Dynamics，经验流体力学),CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)、Hess-Smith面元法和水下实验。其中水下实验是最准确的方法，但成本高、耗时长。而EFD只能计算标准形状的附加质量。Hess-Smith面元法计算附加质量的精度满足工程应用需求，但程序代码复杂，较难快速上手。

ANSYS是成熟的流体CFD仿真软件，能用于计算附加质量，常见的利用ANSYSFLUENT计算附加质量使用了动网格技术，分别模拟物体在水中做规律的正弦运动和水平匀加速直线运动，并通过分析仿真所得数据求得直航方向附加质量。由于需要使用动网格技术，网格质量对仿真十分关键。使用动网格仿真，势必会造成部分网格移动重建，且为保证CFD仿真精度，往往越复杂外形的物体表面网格尺寸越小，小尺寸网格限制了动网格仿真的单位时间步长，从而降低了求解速度而无法快速求解附加质量。

发明内容

本发明提出一种基于ANSYS的CFD求解外形不一的AUV直航方向的附加质量的方法，与传统的基于动网格的CFD方法不同，该方法不需要使用动网格，在保证计算精度的同时降低了网格要求且极大的提升了计算速度，其采用如下技术方案予以实现：

一种获取水下航行器直航附加质量方法，包括：

A、AUV模型导入；

B、网格划分；

C、网格独立性验证，获得较优网络；

D、进行时间步长独立性验证，获得较优的瞬态仿真时间步长；

E、网格导入；

F、将UDF程序编译并导入fluent中进行瞬态仿真

AUV做匀速直线运动时，AUV的推进力F_p大小等于匀速运动时的阻力Drag；而当AUV做加速恒为a的水平直线运动时，将匀加速运动过程离散化，选取vt前后时间段的推力值，使用最小二乘法拟合t时刻前后一段时间的数值，来推算某一时刻的推力F_vt

结合公式F_vt-Drag_vt-ma＝m₁₁·a得出：

其中ε为修正系数。

进一步地，所述步骤B包括：创建外流域和内流域，内流域划分成非结构网格，外流域为划分成结构网格，同时在AUV表面添加边界层网格。