开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

闫银坡， 于福杰， 陈原

(山东大学(威海) 机电与信息工程学院， 山东 威海 264209)

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近年来，随着海洋勘探和开发的进展加快，水下机器人在极端作业环境下得到了广泛应用[1]。为了实现对水下机器人运动的精确控制，水下机器人动力学模型中的水动力系数必须具有相当的准确性[2]。目前，求解水动力系数的方法主要有经验公式估计法、船模试验法和计算流体力学(CFD)数值模拟法[3]。其中，采用CFD技术模拟船模试验的方法具有不受试验设备精度影响和成本低的优点，并可提供不受外界环境干扰的理想仿真环境，因此广泛应用于水下航行器水动力系数的计算[4-6]。

现有CFD数值模拟法多采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)方法的CFD软件(Fluent，Star CCM+和CFX等商用软件，以及基于开源平台OpenFOAM的自主开发软件)模拟船模试验的方式进行。船模试验模拟可分为稳态船模试验模拟和非稳态船模试验模拟。稳态船模试验时航行器固定不动，通过系列地改变来流速度和航行器相对来流偏角(即漂角)实现对稳态纵荡和斜航运动模拟，进而拟合求解相应的线性黏性水动力系数和耦合黏性水动力系数，相关研究见文献[7-9]。此外，通过将求解域设置成弧形流域模拟旋转臂试验，可求得与摇艏角速度相关的耦合水阻尼系数[10]。但稳态运动模拟仅可用来求黏性水动力和耦合水动力系数，无法求惯性水动力系数，且需要进行多组模拟，十分耗时。通过CFD技术模拟非稳态平面运动机构(PMM)试验，可以计算各种惯性水动力系数和黏性水动力系数，与稳态船模试验模拟相比，非稳态PMM模拟试验大幅度缩减了计算量。……