[发明专利]研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法

说明书

本发明公开一种研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，包括建立AUV艇体和螺旋桨的三维模型；确定网格结构，进行网格划分和独立性验证；选择湍流模型并设置边界条件；进行数值模拟和稳态求解，并对模拟结果进行后处理；基于求解结果分析AUV艇体和螺旋桨的交互作用规律，得出研究结论。首先采用本发明方法对标准模型开展数值模拟，将模拟数据与实测数据比较，验证该方法的可靠性；然后基于该方法对自主研发的AUV和螺旋桨进行研究，比较艇体和螺旋桨在直流与斜流中的交互作用，分析附体对流场分布和AUV水动力特性的影响，探究伴流效应和推力扣除效应，研究成果将用于指导AUV设计和总体布局优化。

技术领域

本发明属于海洋工程和水下机器人领域，具体涉及一种研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，适用于水下航行器的水动力数值模拟及总体设计优化。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)在水文数据收集、海洋环境观测及军事应用等方面发挥着越来越重要的作用。螺旋桨作为驱动系统最主要的组成部分，其水动力性能深深影响着AUV的机动性、续航能力及作业效率。AUV艇体和螺旋桨的交互作用影响艇体阻力和螺旋桨推力，随着计算流体动力学(Computational fluiddynamics,CFD)的发展和计算机性能的提升，采用CFD进行数值模拟与预测成为主流方法。

授权公告号为CN 112307559 A的发明专利公开一种基于改进乌鸦算法的AUV外形优化方法，通过流体计算优化了AUV外形，但是仅仅考虑了AUV艇体。授权公告号为CN110309573 A的发明专利公开一种基于耦合伴随的水下航行器多学科代理优化方法，对外形与流体动力等多学科耦合求解，同样没有研究附体和螺旋桨的影响。

AUV艇体和螺旋桨间存在强烈的交互作用。在设计阶段，针对单个部件的优化会产生次优解，因为部件之间的交互决定了实际的应用效果。探索AUV艇体和螺旋桨的交互作用规律，研究附体对AUV水动力特性的影响，分析伴流和推力扣除效应，对改善AUV的设计及提升AUV的性能具有积极意义。

发明内容

本发明针对传统数值方法的缺点，提出一种研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，基于CFD和ANSYS Workbench对AUV艇体和螺旋桨在直流和斜流中的交互作用开展数值模拟，掌握两者间的交互作用规律，分析附体的影响，研究伴流和推力扣除效应，用于指导AUV外形设计和总体布局优化。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，分为方法验证和方法应用两个阶段，包括以下步骤：

步骤A、建立三维几何模型：根据文献中给出的参数建立AUV和B-3-50螺旋桨的三维模型；根据设计参数建立Sailfish AUV和B-3-35螺旋桨的三维模型。

进一步的，所述步骤A具体包括以下步骤：

步骤A1、模型分类：AUV的模型包括有无附体两种，用于步骤E中研究附体影响；

步骤A2、模型融合：将螺旋桨与旋转域融合，实现螺旋桨由体到面的转换，方便步骤B中网格划分；

步骤A3、模型组合：把AUV和螺旋桨模型进行组合，两者间设置间隔。

步骤B、确定网格结构和尺寸：根据所建立的三维模型大小和运动模式，确定各部件的网格类型和尺寸，选择边界层网格的参数，包括首层高度、层数、增长率。

进一步的，所述步骤B具体包括以下步骤：

步骤B1、确定网格结构：采用混合网格结构，静止域采用粗的非结构网格，旋转域采用细的非结构网格，AUV艇体、附体和螺旋桨添加边界层网格；