文摘

在这项研究中,一种空射水下滑翔机的入水波浪条件下由计算流体动力学数值模拟方法。验证了数值模型的比较无量纲入水冲击力发表实验和数值结果。和水入口点的影响,入水角度,和水进入攻击角度研究了冲击力,这对空射水下滑翔器的设计提供指导。结果表明,水入口点的峰值有很大影响垂直冲击力。在目前的研究中,最大垂直冲击力的峰值在不同水入口点是两倍的最小峰值相同的入水速度。在同一水入口点入水角有很大影响的峰值水平冲击力,主要与冲击速度的水平分量有关。冲击速度的水平分量越大,冲击力峰值就越大。此外,攻角不影响入水的冲击力与半球形封头的滑翔机。

1。介绍

水下滑翔机是一种自主水下航行器已广泛应用于物理和生物海洋学[1]。目前,水下滑翔机主要部署船只。母船的导航能力有限,长途部署需要很长时间。相比之下,空中发射的飞机可以大大缩短长途部署所需的时间(2]。然而,入水的空射水下滑翔机是一个复杂的过程。在入水,空射水下滑翔机将遭受巨大的冲击力,会破坏结构和内部组件(3]。因此,有必要研究入水空射水下滑翔机的冲击力。

入水的理论研究可以追溯到卡曼(4]。基于势流理论,卡门计算结构的冲击载荷成水。瓦格纳(5)精制卡门的理论考虑到堆积成山的水面和喷涂厚度。Miloh [6]semi-Wagner方法用于计算润湿系数和冲击系数的刚性球体垂直入水。Korobkin [7]构造问题的精确解的椭圆抛物面进入理想不可压缩液体在瓦格纳的框架内变量速度近似和检查形状的影响加速度峰值的影响。塔辛et al。8]分析了几个模型预测的准确性的水动力载荷与实验观测数据进行比较。

随着计算机仿真技术的发展,许多计算流体动力学(CFD)技术已被用于研究影响入水的问题。Aquelet et al。9]提出的预测当地高压负载刚性楔影响自由表面,液体是由求解navier - stokes方程与任意拉格朗日欧拉(ALE)配方。Panciroli et al。10]研究了水现象在弹性楔形的入水的数值模型是基于耦合有限元法(FEM)和平滑粒子流体动力学(SPH)配方。结果表明,数值解与实验数据相当不错。Facci et al。11)使用有限体积方法(有限)离散化在空气和水不可压缩n - s方程和描述的自由表面多相流流体体积的方法(受到)。该方法被证明是合理和可行的模拟三维固体的入水。大涡模拟(LES)可以计算多相流的问题(12- - - - - -14]。李等人用莱斯来研究石头影响水的问题。和数值模型验证是合理的通过比较计算结果与实验结果15]。

随后,学者应用CFD技术入水空射自治水下机器人(auv的研究。施等。16),乔杜里et al。17]研究了空射AUV的入水过程的软件LS-DYNA基于ALE方法。仿真结果如腔形状和影响加载显示良好的协议与实验数据。燕et al。18]研究了小角度的入水问题的AUV FEM-SPH耦合的数值算法。这种方法的优点吸收SPH算法在处理大变形和网格畸变。CFD技术也能准确地模拟AUV进入水的问题。Qi et al。19)模拟入水空射水下机器人的过程。得到了一系列精确的负荷数据和陪同观察空化等现象。王等人。20.)模拟水下机器人的高速入水与不对称的鼻子的形状。轨迹和空腔发展精确模拟。

如上所示,CFD技术已被证明是合理的和可行的方法来研究入水问题。据我们所知,之前的研究主要集中在影响的力量AUV在静水和波浪的影响在入水冲击的力量AUV尚未全面调查。在这项研究中,一种空射水下滑翔机的入水冲击力量波条件下研究了CFD方法。入水冲击力量在不同水入口点和不同的入水角度进行了研究。结果可以为空射水下滑翔器的设计提供参考。

这项研究是有组织的如下。部分2介绍了数值模型。部分3验证当前数值模型的准确性。部分4分析了入水冲击的力量一种空射水下滑翔机在不同水入口点,入水角、攻角。部分5总结了主要结论。

2。数值模型

2.1。控制方程

商业CFD软件STAR-CCM +是用来解决入水冲击力量。(跑)的非定常雷诺平均n - s方程的离散采用有限体积法。假设流体是不可压缩的,温度是恒定的。然后,连续性方程和NS方程可以写成 在哪里 是速度矢量, 是流体密度, 流体压力, 是流体运动粘度, 是体积力。

受到的方法用于捕获自由表面多相流。在每一个网格,和空气相和水相的体积分数是1.0。假设空气的体积分数 和水的体积分数 。然后,自由表面可以跟踪解决空气相的体积分数,和控制方程可以表示为21] 在哪里 是传输速度。

有三个可能的条件在每个网格如下:

然后,每个网格的空气和水可以被视为一个等效流体密度 和粘度 计算了 在哪里 和 分别是空气和水的密度,然后呢 和 分别是空气和水的动态粘度。

此外,结构的运动是由牛顿第二定律计算。周围的网格结构的运动实现了打翻网格方法。物理量之间的转移打翻区域和背景区域采用线性插值的方法。

2.2。空射水下滑翔机模型

在这项研究中,提出了一种空射水下滑翔机模型来研究水入口问题,如图所示1。传统的水下滑翔机有一个大型的翼展在滑翔提高升力。和机翼熊很大冲击力在入水的过程。因此,一个新的设计方案,配备一个可折叠的机翼模块顶部的水下滑翔机,提出减少入水冲击力。在影响成水,折叠机翼,如图1(一)。进入水中后,滑翔机减少的速度和负载变得越来越小。然后,翼伸展,如图1 (b)。滑翔机的长度是2000毫米,直径220毫米,质量是70.69公斤。滑翔机的负责人是一个半球的半径110毫米。机翼折叠时,中心轴上的重力中心的主体,952毫米远离头部。在目前的研究中,滑翔机被视为刚体。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
空射水下滑翔机的示意图。(一)机翼折叠。(b)翼展开。
2.3。参考帧

在这项研究中,惯性坐标系 ,主体框架 ,和速度框架 采用描述滑翔机的运动,如图2。


图2
参考帧。

惯性坐标系 在惯性空间和一个适当的位置是固定的在水面上被选中的起源吗 。的 轴的运动方向是水平和滑翔机,和 轴是垂直于水面,点向上。车身骨架的起源 是固定的滑翔机的重力中心,和 轴的纵轴相一致的滑翔机。速度坐标系的起源 也是固定的滑翔机的重力中心,和 轴伴随着滑翔机的速度矢量。之间的角度 轴和水面被定义为入水角 。和之间的角度 轴和 轴被定义为攻角 ,这是积极的角度 是顺时针方向。

2.4。计算域

如图3域是网状的,只有一半的身体是轴对称。在目前的研究中,使用一阶斯托克斯波模型。波长和波高设置 和 ,分别。


图3
计算域。

表面abb′′设置为速度进口和 远离滑翔机。表面cdd c′′,将压力 远离滑翔机。阻尼区设置为压力出口边界,消除边界反射。和阻尼长度设置为10米,等于波长。顶部,底部,一边被分配速度入口边界条件。水深度设置为4.5米,高度的空气域也设置为4.5。对海温(表示“状态”) 选择湍流模型来模拟周围流动的网格点第一个单元格 。无量纲墙的距离 然后由 在哪里 的高度是相邻细胞重心从墙上,墙上 是摩擦速度, 动态粘滞度。

在这项研究中,生成的六面体网格切割网格生成器。清楚地模拟变量入水的过程,细网格分配给该地区空气界面和滑翔机可以通过的地方。图4显示了局部对称表面网格abcd。


图4
部分对称表面网格。

3所示。讨论了数值模型

3.1。数值方法验证

在这项研究中,一个球体的常速入水的例子是用来验证数值方法。和CFD结果的准确性验证通过无量纲冲击力的对比实验和数值结果公布。无量纲的影响力量 被定义为 在哪里 球的总作用力, 球的半径, 球的入水速度。

水的无量纲穿透深度的条目被定义为范围 在哪里 球的瞬时渗透。

在本节中,水的密度设置为1000公斤/米3。球的半径设置为110毫米,这是相同的大小滑翔机。入水速度设置为10 m / s。

如图5,比较表明,从目前获得的垂直作用力模型与实验数据吻合较好,Nisewanger [22)和鲍德温和史蒂夫23)和数值结果由肖和张(24]。最后,数值模型在本研究中被证明是能够模拟冲击力作用于结构入水。


图5
无量纲冲击力的对比。
3.2。收敛性研究

网格密度和时间步的设置将直接影响计算结果的准确性。垂直入水的情况下一波高峰用于验证网格密度的合理性和时间步,如图6。和冲击速度设置为10 m / s。


图6
收敛原理研究情况。

图7显示了垂直方向的冲击力 轴与三种不同网格密度(粗: ;介质: ;好: )。和时间步长设置为 不同的网格密度。垂直冲击力与不同网格密度显示很高的一致性。采用和网格配置与介质密度预测的冲击力在入水滑翔机波条件下。然后,讨论了三个时间步骤时间步收敛性研究。如图8,不同的时间步骤的结果收敛性良好。最后,时间步长设置为 在入水冲击力的研究。


图7
与不同的网格密度垂直冲击力。

图8
垂直冲击力与不同的时间步骤。

4所示。结果与讨论

4.1。水入口点对冲击力的影响

在本节中,四种典型的水入口点是用于研究影响水入口点的冲击力,波高峰,波谷,与静水横点水平。如图9,滑翔机的情况下垂直入水在不同选择的点标记案例1,例2、例3,分别和案例4。


图9
垂直入水在不同的示意图。

影响速度设置为10 m / s,和入水角度设置为90度。影响力量的结果如图所示10。力的方向垂直的影响 轴的滑翔机例1和例3几乎是相等的。然而,水平力的方向 滑翔机在例1和例3轴逐渐增加在相反的方向。这是有关水质点的运动。根据一阶斯托克斯波模型,水平速度 和垂直速度 被定义为的水质点 在哪里 波振幅, 波的频率, 波矢量, 波矢量的大小, 是平均水位的垂直距离。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
与不同的水入口点的影响。(一)垂直的影响力量。部队(b)水平的影响。

表面波在不同的位置有不同的倾斜角度。因此,滑翔机垂直进入水受到横向冲击力由于表面波的倾向。在波峰和波谷,波浪表面是水平的。所以,没有横向冲击力水的初始条目。与穿透深度的增加,水质点的运动使滑翔机在例1和例3相反的力。

在例2中,水质点在水入口点的最大积极的垂直速度。这最大化相对碰撞速度的滑翔机。所以,例2中的滑翔机的最大峰值垂直冲击力。同样,由于最低相对碰撞速度,滑翔机在例4的最小峰值垂直冲击力。在目前的波站和影响速度,垂直冲击力峰值的情况2几乎是两倍的峰值情况4。在例2和例4中,水平冲击力是由波的斜率。从理论上讲,水平冲击力滑翔机的例2和例4应该是对称的。然而,在目前的研究中,水入口点并不是严格的交叉点。例2中的水入口点是靠近交叉点,所以冲击力峰值更大。

4.2。入水角度对冲击力的影响

在本节中,五个入水角是用于研究的影响入水角度冲击力,80度,90度,100度,110度,120度。结果显示部分4所示。1垂直和水平的高峰值影响的滑翔机,以防2都是最大的。所以,同样的水入口点选择第二种情况。入水速度也将10 m / s。影响力量的结果如图所示11。入水角的增加,峰值水平冲击力逐渐增加。这可能是由于相对碰撞速度在水平方向入水角的增加而增加。与入水角的增加,峰值的垂直冲击力先增加然后减少。这可能与表面波的倾向在水入口点。一方面,入水角的增加,入水角相对于表面波在水入口点也增加。这就增加了入水冲击力的滑翔机,垂直分量的冲击力也增加。另一方面,与入水角的增加,速度的垂直分量减少和冲击力的垂直分量也减少。当入水角度小于100度,相对入水角的影响更大,因此垂直冲击力峰值的增加。当入水角是100度到110度,相反效果的影响基本上是相同的,所以垂直冲击力的峰值基本上是相同的。 With the further increase of water entry angle, the influence of vertical component of velocity is greater, so the peak value of vertical impact force decreases. In addition, both the peak values of vertical and horizontal impact force are bigger when the water entry angle is greater than 90 deg. Therefore, a water entry angle less than 90deg is a better choice.

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
与不同的入水角度的影响。(一)垂直的影响力量。部队(b)水平的影响。
4.3。攻角对冲击力的影响

在本节中,五个入水攻角是用来研究攻角对冲击力的影响,这是−10度,−5度,0度,5度,10度。结果显示部分4所示。2垂直和水平的高峰值影响的滑翔机时入水角是110度都是最大的。同样如此,水入口点选择第二种情况,入水角度设置为110度,入水速度也将10 m / s。影响力量的结果如图所示12。的攻角对冲击力峰值没有影响。这可能是因为滑翔机的头半球形。然后,水平和垂直力滑翔机不同攻角下趋于稳定。一般来说,攻角影响不大的冲击力峰值滑翔机在设置条目的态度。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
与不同攻角的影响。(一)垂直的影响力量。部队(b)水平的影响。

5。结论

在这项研究中,入水冲击的力量一种空射波条件下水下滑翔机由数值模拟分析。这些结果可以帮助空射水下滑翔器的设计。通过研究水入口点的影响,入水角度、力量和攻角的影响,我们得出以下结论:(1)水入口点有一个伟大的垂直冲击力峰值的影响。冲击速度是10 m / s时,峰值的垂直冲击力当水入口右侧的波高峰和相交仍然水位几乎是两倍的峰值入水时的交点的左侧波高峰。(2)入水角度有很大影响的峰值水平冲击力当水入口点相交与静水的水平。这主要与冲击速度的水平分量。冲击速度的水平分量越大,冲击力峰值就越大。(3)它应该避免入水方向相反的来波方向,使滑翔机比沿着波方向承受更大的冲击力。(4)与半球形封头的空射水下滑翔机,攻角对冲击力峰值没有影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(批准号51709030);海洋工程国家重点实验室,上海交通大学(批准号1904),2020年辽宁省自然科学基金(批准号2020 - ms - 125),中央大学的基础研究基金(批准号3132021120和3132021120),和大连高水平创新人才支持计划(2019 rq068)。