水下對接遙控機器人水動力特性研究

杭州應用聲學研究所（中國船舶第七一五研究所） 黃俊雄

在交會對接技術中，水動力特性對ROV（遙控機器人）作業的安全性與穩定性非常重要，因此，需要對ROV不同航行模式與機械臂作業模式下的水動力特性進行仿真計算。首先基于ROV的結構與運動模式分析確定ROV的計算工況，主要包括直航、橫移、升沉運動下的工況，根據ROV不同工況下的模型，確定流域與邊界條件并合理劃分網格；流場仿真計算模型主要采用了標準k-ε模型、標準壁面函數、simple算法來求解壓力、速度耦合方程組，離散的代數方程用greengauss cell based法進行求解，對于流項中的壓力均采用standard方式相差值，離散動量、湍動能、湍動耗散率均可以采用二階迎風格式來進行計算。計算收斂，得到rov不同航行模式下胡水動力系數，為rov的具體設計、部件選型與運動控制提供數據支撐。

交會對接技術是指UUV與母艇能夠在運動狀態下完成精確對接，實現對UUV的能量補充以及UUV與母艇進行數據交換的技術，是無人裝備在深海環境下開展回收、補給、維修、信息交換等保障服務的先決條件。通過深海交會對接自主控制，突破無人潛航器上艇應用的瓶頸問題，實現隱蔽投送與回收、能源補給和信息交換，顯著提升航程、隱蔽性以及集群對抗能力。

本項目涉及的水下捕獲對接技術是水下母艇利用搭載的遙控機器人（ROV）捕獲UUV并與之對接，對接成功后母艇通過遙控機器人的臍帶纜對UUV進行充電和傳輸信息。在交會對接技術中，ROV的水動力特性參數對ROV安全穩定工作起到關鍵作用。本文對ROV不同航行模式下的水動力特性進行仿真計算，得到ROV不同航行模式下的水動力系數，為ROV的具體設計、部件選型與運動控制提供數據支撐。

1 ROV主要結構與運動模式

ROV的主要結構如圖1所示，ROV兩側對稱分布四個相同的機械臂，在運動時抱緊母體，以便進行后續的信息傳遞或者充電等工作。

圖1 ROV三維側視圖

2 計算模型與網格劃分

將上述的三維模型導入ICEM軟件中，設置流場并進行網格劃分，靠近ROV主體的網格，設置了5層，比例為1.2，并且在邊界處的網格進行了加密，模型尖銳處增加了更多的節點，進一步加密網格，以提高網格的質量和計算結果的準確性。網格模型采用標準k-ε模型、標準壁面函數、simple算法來求解壓力、速度耦合方程組，離散的代數方程用green-gauss cell based法進行求解，對于流項中的壓力均采用standard方式相差值，離散動量、湍動能、湍動耗散率均可以采用二階迎風格式來進行計算。

2.1 直航運動情況

在直航情況下，選取長方體計算域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側取6倍體長，上下兩側取6倍體長。流體的方向選取網格坐標系中的x軸正方向，網格流場的流體入口為流場左側，流場右側為流量出口，其他均設置為壁面，采用結構化網格劃分，網格數量為3641893，網格質量均在0.25以上。

2.2 橫移運動情況

ROV橫移運動的流場采用長方體計算區域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側取12倍體長，上下兩側取10倍體長。以Y軸正方向為水流方向，設置流場左側為流量入口，流場右側為流量出口，其他均設置為壁面，采用結構化網格劃分，網格數量為1913237，網格質量均在0.25以上。

2.3 升沉運動情況

在升沉運動情況下，采用長方體計算區域，沿ROV縱向取6倍體長，左右兩側取8倍體長，上下兩側20取倍體長。以Z軸正方向為水流方向，設置流場上側為流量入口，流場下側為流量出口，其他均設置為壁面，采用結構化網格劃分，網格數量為5880317.網格質量均在0.25以上。

3 計算結果

3.1 直航運動情況

在直航運動情況中，ROV以2m/s的速度運動時，壓力與速度云圖如圖2、圖3所示，此時的入口質量流量為22993.92kg/s。

圖2 壓力云圖

圖3 速度云圖

取速度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0knot，不改變其他條件，通過設置入口處質量流量，得到每個速度下的粘性阻力，繪制成曲線，并且根據阻力系數計算公式，繪制對應的阻力系數曲線，如圖4所示。

圖4 ROV在直航運動情況下的阻力曲線與阻力系數曲線

3.2 橫移運動情況

在橫移運動情況中，ROV以2m/s的速度運動時，流場入口質量流量為143712kg/s。按照以上方式繪制曲線，如圖5所示。

圖5 ROV在橫移運動情況下的阻力曲線與阻力系數曲線

3.3 升沉運動情況

在升沉運動情況中，按照上述方式繪制阻力曲線與阻力系數曲線，如圖6所示。

圖6 ROV在升沉運動情況下的阻力曲線與阻力系數曲線

ROV所受的流體阻力中，以粘壓阻力為主。在ROV直航、橫移、升沉運動情況中，靜壓主要分布在運動前端，并且沿縱軸線對稱分布。當速度一定時，ROV受力面積越大，阻力會明顯地增大；當受力面積一定的時候，ROV受力隨速度的增長呈現拋物線式的增長，但是阻力系數卻呈現一個下降的趨勢。從ROV直航、橫移、升沉三種運動方式的阻力系數曲線可以看出，阻力系數隨速度增大并不是嚴格單調遞減的，在某一些點會出現一些波動，但是整體是一個下降的趨勢。