[发明专利]一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法

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。

主权项

一种水下航行器的螺旋桨推力建模方法，其特征在于，该方法基于仿真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：在仿真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的离散值：考虑伴流对螺旋桨推力的影响，在仿真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‑ε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θ，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vcosθ和vsinθ；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vcosθ；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θ之间的解析模型T＝f(u,v,n,θ)：T=f(u,v,n,θ)=Σi,j=1,1p,qaij(u+vcosθ)i-1nj-1---(1)]]>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，θ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，aij为模型的拟合系数。