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基于多块动态混合网格的AUV自航类物理数值模拟
Physics-based Numerical Simulation of AUV Self-propulsion Using Multi-block Hybrid Dynamic Mesh Method

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吴利红 1,2 *   李一平 2   刘开周 2   封锡盛 2   王诗文 1   艾晓锋 1  
文摘 提出了一种采用多块动态混合网格进行AUV(自主水下机器人)自航试验的类物理数值模拟的方法.对AUV带舵翼和螺旋桨的全附体进行建模,采用UDF(用户自定义函数)实现推进器和AUV之间的力和速度传递,结合6DOF(自由度)运动方程求解AUV的运动参数,采用动态层方法进行网格更新,最终实现AUV从静止到匀速的直航运动的自航推进数值模拟.相对MFR(多参考系坐标)法,自航速度误差为2.6%,伴流分数误差为3.7%,推力减额误差为6.8%.与非结构动网格法和重叠网格法相比,该方法的计算收敛快.同时,数值模拟获得了AUV自航推进过程中的速度曲线,推力和阻力变化曲线,自航推进的尾迹和压力云图,以及相应的动画,揭示了自航推进过程中船、桨、舵相互作用的内在机理,为进行更复杂的载体操纵运动提供类物理数值模拟方法.
其他语种文摘 A multi-block hybrid dynamic mesh method for physics-based numerical simulation of AUV (autonomous underwater vehicle) self-propulsion motion is presented. The method models a fully appended AUV with rudders and propeller, uses UDF (user defined function) to transmit force and velocity between AUV and its propeller, adopts 6DOF (degree of freedom) motion equations to solve the motion parameters, and employs the dynamic layer method to update meshes. Finally, the numerical simulation of AUV self-propulsion motion is achieved which models the straight ahead run from the static state to the uniform velocity. The differences of the self-propulsion velocity, the wake fraction and the thrust deduction factor compared with MFR (multiple frames of reference) are 2.6%, 3.7%, and 6.8%, respectively. And the computation convergence is speeded up compared with the unstructured dynamic mesh method and the dynamic overset mesh method. By numerical simulation, the velocity curve, curves of thrust and resistance, contours of wake velocity and pressure, and related animations during AUV self-propulsion are obtained. The physical reasons of interaction among the hull, the propeller and the rudders are investigated, which provides a physics-based numerical simulation method for more complex maneuvering motions of marine vehicles.
来源 机器人 ,2019,41(6):706-712 【核心库】
DOI 10.13973/j.cnki.robot.180683
关键词 自主水下机器人 ; 自航推进 ; 动网格 ; 螺旋桨 ; 类物理数值模拟
地址

1. 大连海事大学船舶与海洋工程学院, 辽宁, 大连, 116026  

2. 中国科学院沈阳自动化研究所, 机器人学国家重点实验室, 辽宁, 沈阳, 110016

语种 中文
文献类型 研究性论文
ISSN 1002-0446
学科 自动化技术、计算机技术
基金 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室基金 ;  国家重点研发计划 ;  中央高校基本科研业务费专项资金 ;  国家自然科学基金
文献收藏号 CSCD:6625902

参考文献 共 16 共1页

1.  Ueno M. An analysis of steady descending motion of a launcher of a compact deep-sea monitoring robot system. MTS/IEEE OCEANS 2002 Conference,2002:277-284 被引 1    
2.  Azarsina F. Manoeuvring simulation of the MUN Explorer AUV based on the empirical hydrodynamics of axisymmetric bare hulls. Applied Ocean Research,2010,32(4):443-453 被引 4    
3.  Bettle M C. Unsteady analysis of the six DOF motion of a buoyantly rising submarine. Computers & Fluids,2009,38(9):1833-1849 被引 15    
4.  Simonsen C D. RANS maneuvering simulation of Esso Osaka with rudder and a body-force propeller. Journal of Ship Research,2005,49(2):98-120 被引 10    
5.  孙小帅. 全附体多桨船模自航点数值求解方法研究. 海军工程大学学报,2016,28(2):40-45 被引 2    
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8.  Mofidi A. Simulations of ZigZag maneuvers for a container ship with direct moving rudder and propeller. Computers & Fluids,2014,96:191-203 被引 13    
9.  沈志荣. 船桨舵相互作用的重叠网格技术数值方法研究,2014 被引 15    
10.  段旭鹏. 基于动态混合网格的多体分离数值模拟方法. 空气动力学学报,2011,29(4):447-452 被引 15    
11.  张玉东. 包含动边界的非定常流场动网格数值模拟. 计算物理,2006,23(2):165-170 被引 5    
12.  张来平. 动网格生成技术及非定常计算方法进展综述. 力学进展,2010,40(4):424-447 被引 61    
13.  吴利红. 三维动态混合网格在AUV发射过程中的应用. 船舶力学,2010,14(7):717-722 被引 5    
14.  Wu L H. Hydrodynamic analysis of AUV underwater docking with a cone-shaped dock under ocean currents. Ocean Engineering,2014,85:110-126 被引 14    
15.  Zhan J M. Numerical study on the six-DOF anchoring process of gravity anchor using a new mesh update strategy. Marine Structures,2017,52:173-187 被引 8    
16.  艾晓锋. 基于动网格技术的AUV自航数值模拟研究,2017 被引 2    
引证文献 3

1 吴利红 AUV自航对接的类物理数值模拟 北京航空航天大学学报,2020,46(4):683-690
被引 0 次

2 吴利红 自主水下机器人强制自航下潜的类物理模拟 上海交通大学学报,2021,55(3):290-296
被引 0 次

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