小型便攜式水下機器人側掃聲吶的流線型優化分析

劉進 譚華 蘇亮 仇國際 劉睿 羅崇鑫 王宇 劉豪

摘要：以某一掛載側掃聲吶的小型便攜式自主水下機器人（AUV）為原型，對掛載側掃聲吶的AUV及掛載改進流線型側掃聲吶的AUV進行水動力分析。發現改進流線型側掃聲吶的AUV在正常航速3 kn和高航速6 kn下，得到了有效的阻力改善，包括黏性阻力和壓差阻力的降低。在航速3 kn時，黏性阻力降低了9%，壓差阻力降低了18%，總阻力降低了15.4%；在航速6 kn時，黏性阻力降低了4.2%，壓差阻力降低了12%，總阻力降低了10.1%。這些結果表明，通過優化AUV掛載側掃聲吶的流線型，可以有效地提高AUV的動力性能，降低其阻力，從而提高AUV的性能和效率。

關鍵詞：自主水下機器人；側掃聲吶；流線型；壓差阻力；黏性阻力；動力性能

中圖分類號：TH138?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）06-0008-07

Streamline optimization analysis of side-scan sonar on small

autonomous underwater vehicle

LIU Jin1，TAN Hua1，2*，SU Liang1，QIU Guoji1，LIU Rui1，LUO Chongxin1，WANG Yu1，LIU Hao1

（1.Qingdao Gosci Technology Group ，Qingdao 266237，China；2.Qingdao Gosci Intelligent

Equipment Technology Co.，Ltd.， Qingdao 266237， China）

Abstract∶Water dynamics analysis was conducted on a compact and portable autonomous underwater vehicle（AUV） with side-scan sonar and amodified AUV with streamlined side-scan sonar. The analysis focused on examining the drag forces experienced by both AUVs at different speeds. The results demonstrated that the streamlined side-scan sonar effectively reduced pressure and viscous drag forces， resulting in an overall drag reduction of 15.4% at a normal speed of 3 knots， with a 9% reduction in viscous drag and an 18% reduction in pressure drag.At a high speed of 6 knots， the overall drag was reduced by 10.1%， with a 4.2% reduction in viscous drag and a 12% reduction in pressure drag. These findings demonstrate that optimizing the streamlined design of the AUV with side-scan sonar can effectively enhance the dynamic performance of the AUV， reduce its drag force， and improve its efficiency and performance.

Key words∶autonomous underwater vehicle; side-scan sonar; streamlined; viscous drag; pressure drag; dynamic performance

隨著全球經濟的發展和人口的增長，對海洋資源的需求越來越大，而小型便攜式自主水下機器人（autonomous underwater vehicle，AUV）具有在海洋深處進行探測和勘測、收集數據和樣本、執行維護和修復任務等多種功能［1］。相比于傳統的海洋勘測方法，它具有體積小、操作靈活、無需船只支持等優勢，大大提高了海洋資源的研究效率和成本效益。因此，AUV作為研究和開發海洋資源的重要工具之一，成為近年來海洋工程技術研究的熱點。小型便攜式AUV通常是通過內部自帶的蓄電池來提供能源的，而不像有纜水下機器人那樣需要電纜來提供電源。由于AUV所需的能源消耗取決于其航速和所受阻力的大小，因此在設計AUV時，需要考慮在任務完成的前提下，盡可能地減小其受到的阻力。

近年來，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）在AUV水動力學分析中得到了廣泛應用。與傳統試驗相比，CFD具有可預先研究、不受條件限制、成本低和周期短等優點。因此，許多學者開始探索如何利用CFD來設計優化AUV的各項參數，以盡可能地減小其所受的阻力，并提高其速度和穩定性。這些參數包括AUV的外形、尺寸、大小等，都對AUV的水動力性能和能源消耗產生著重要影響。通過CFD模擬分析，可以更加深入地理解AUV的水動力學特性，為優化設計提供科學依據。魏子凡等［2］基于CFD對不同AUV艇體的阻力性能進行了分析，王敏健［3］研究了考古AUV水動力分析及殼體外形設計，汪向前［4］研究了太陽能AUV概念設計與水動力性能分析，但是在針對某一具體型號的小型便攜式自主水下機器人的掛載側掃聲吶流線型優化方面，鮮有學者進行相關的分析研究。本文旨在研究一種小型自主式水下機器人掛載側掃聲吶的流線型對其水動力性能的影響。通過使用CFD分析工具，比較了兩種不同流線型側掃聲吶對小型AUV的速度矢量場、壓力場、壓差阻力和黏性阻力等水動力參數的影響。以總阻力值［5］作為評價標準，以改善AUV的整體水動力性能為目標，探討了優化掛載側掃聲吶流線型［6］的方法。

1 幾何模型

選用某海洋科技公司提供的掛載側掃聲吶的小型AUV作為研究對象，使用Solidworks軟件［7］，根據真實尺寸建立小型掛載側掃聲吶AUV的幾何模型，并簡化了AUV表面的細節結構。因為細節結構對水動力分析的影響非常小，而在建立數值模型時對網格劃分的要求非常高［8］，同時這些細節需要復雜的計算，這將導致計算時間長且效率低下，故使用簡化的模型。側掃聲吶尺寸為總長450 mm，總寬40 mm，總高30 mm［9］。圖1為

小型掛載側掃聲吶AUV的尺寸和改進后的掛載流線型側掃聲吶的AUV型線圖。

2 計算流體力學模擬

AUV在水下航行時所受到的阻力對其快速性［10］和運動預報具有重要影響，也是綜合航行［11］性能的重要因素之一。為了準確計算AUV的水下阻力，實現其操縱性能預報和運動控制，采用CFD數值模擬計算方法對原掛載側掃聲吶和改進流線型側掃聲吶的AUV進行了阻力分析。采用1∶1比例的AUV實體模型，并將其放置在直徑為5 000 mm、長度為12 000 mm的圓柱形水域中作為計算域，以確保數值模擬結果的準確性和可靠性。

在本文中使用ICEM-CFD軟件對AUV進行網格劃分。在處理圓柱體流場計算域時，采用四面體網格，因為四面體網格在保持網格單元質量均勻性方面表現良好，能夠提供更穩定的數值模擬結果。為了捕捉細節并準確模擬流場的行為，對掛載側掃聲吶的關鍵部分使用更密集的網格，通過加密網格，提高計算結果的準確性，為了保證網格的連續性設置了邊界層?？偣采闪?60 008個網格單元，最終得到的網格模型如圖2所示，該模型具有高度的細節和精度，可以用于進行后續的數值模擬計算。

本文使用三維CFD求解器對N-S方程進行求解，并采用二階迎風格式進行網格離散化處理。因雷諾數處于湍流流動范圍，因此采用Realizable k-ε湍流模型［12］對流場的湍流流動進行描述。該湍流模型可以更準確地描述湍流流動的物理特性，在數值求解過程中，通過求解k和ε兩個方程，可以得到湍動能和湍流耗散率的變化情況。通過這些變量的計算，可以進一步計算湍流剪切應力和湍流動能的傳遞等物理量，從而更準確地模擬流場的湍流流動。模擬AUV在水域中以某個恒定速度航行的狀態，主要對AUV所受阻力進行分析。為計算方便，本文入口條件設置為velocity-inlet，出口條件設置為outflow，流體密度ρ=1 000 kg/m3，入口速度設置1，2，…，n kn（1 kn=0.514 m/s）。求解ns方程，獲得航行器運動過程中的流場信息。

3 流場結果分析

3.1 流域速度矢量分析

本文對掛載原側掃聲吶的AUV和掛載改進流線型側掃聲吶的AUV在3 kn和6 kn的不同航速下的水動力性能影響進行了CFD分析。得到的側掃聲吶的流域速度矢量結果如圖3所示。

通過對相同航速下掛載原側掃聲吶AUV與掛載改進流線型側掃聲吶AUV的流域速度矢量圖分析可得，原側掃聲吶在航速3 kn和6 kn下，來自前方的水流在穿過側掃聲吶之后會發生彎曲和分離，并且會在聲吶尾部形成一個旋渦，導致在回旋區域內的流體速度降低，同時也會降低壓力，形成一片低壓區域。這個低壓區域會影響周圍流體的流動狀態，從而導致總壓損失?？倝簱p失會減少AUV的推進力，同時，產生的局部渦流會消耗能量并增加AUV的阻力；相比之下，改進的流線型側掃聲吶在3 kn和6 kn航速下可以更好地控制水流的流動狀態，減少水流阻力，降低能耗，可以有效避免旋渦的形成和總壓損失的發生。

3.2 壓力場分析

圖4為側掃聲吶模型改進前后AUV在航速為3 kn和6 kn下流域的壓力場云圖。通過比較相同航速下原側掃聲吶與改進流線型側掃聲吶的流域壓力場云圖，可以看出兩種聲吶在首部表面的壓力最大。這是由于在航行過程中，水流遇到首部前沿時會產生阻力，從而在首部形成正壓區。同時，由于水流的運動狀態和側掃聲吶表面形狀的變化，水流會在首部上下緣角處轉折形成局部分離，導致水流速度增大，從而產生負壓區域。在側掃聲吶的中段長度方向，水流的壓力分布對AUV的流體動力學性能產生影響。因為在這一段長度內，水流通過AUV的側面時會產生壓差，影響AUV的穩定性。當水流的壓力分布不均勻時，AUV的航行狀態會變得不穩定，并且流體阻力增加，AUV的速度和效率降低。對其在首部和尾部進行流線型改進，使水流在流經側掃聲吶的過程中更加平緩地分流，減小了側面的壓差，從而在流域壓力場云圖中呈現出更均勻的對稱面壓力分布，壓力梯度也更平緩。這種設計提高了AUV的穩定性，從而能夠更加精準地進行側向探測和測量。

3.3 表面壓力分析

圖5為該掛載側掃聲吶AUV在不同航速下的表面壓力分布圖。由圖5可以看出，AUV表面的頭部以及附件迎流面壓力較高。在3 kn航速下，掛載原側掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為102 477 Pa，背流面最小的絕對壓力為100 310 Pa；掛載改進型側掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為102 350 Pa，背流面最小的絕對壓力為100 160 Pa；在6 kn航速下，掛載原側掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為105 954 Pa，背流面最小的絕對壓力為97 269 Pa；改進型AUV迎流面最大的絕對壓力為105 632 Pa，背流面最小的絕對壓力為96 106 Pa。

可以發現在3 kn和6 kn速度下無論是迎風面還是背流面掛載改進流線型側掃聲吶AUV的壓力值都低于掛載原側掃聲吶的壓力值。當AUV在水中移動時，周圍的水會對其表面施加壓力。這個壓力分布影響AUV的運動和穩定性。在這種情況下，改進掛載的側掃聲吶具有更流線型的形狀，使得水流更加順暢地流過AUV的表面。這樣可以減少AUV表面的壓力分布，從而減少阻力和摩擦。此外，由于側掃聲吶的流線型更好，在水流黏性作用下，側掃聲吶也不容易發生局部分離，進一步減少了AUV表面的壓力分布。因此，改進掛載的側掃聲吶的流線型能夠提高AUV的動力性能，減小其受到的阻力和摩擦，提高運動效率和穩定性。此外，無論在低航速和高航速狀態下，改進型AUV上的附件對流場的擾動均小于原AUV上的附件對流場的擾動，這進一步證明了改進流線型側掃聲吶對AUV的性能和效率的重要作用。

3.4 阻力特性分析

降低AUV阻力可以提高AUV的運行效率和續航能力，減少能源消耗，同時提高AUV的穩定性和控制性能，因此是AUV改進的主要目標之一。在1～7 kn航速下進行數值模擬計算，掛載原側掃聲吶AUV和掛載改進流線型側掃聲吶AUV模型的黏性阻力和壓差阻力隨航速變化的柱狀圖如圖6所示。從圖中可以看出，掛載側掃聲吶AUV模型的黏性阻力和壓差阻力隨著航速的增加而增大。同時，掛載原側掃聲吶AUV在3～7 kn航速下的黏性阻力和壓差阻力均明顯高于掛載改進流線型側掃聲吶AUV。在3 kn航速下，掛載改進流線型側掃聲吶AUV的黏性阻力比掛載原側掃聲吶AUV降低了9%，壓差阻力降低了18%。在6 kn航速下，掛載改進流線型側掃聲吶AUV的黏性阻力比掛載原側掃聲吶AUV降低了4.2%，壓差阻力降低了12%。

掛載側掃聲吶AUV的總阻力隨航速變化的折線圖阻力值如圖7所示。從圖中可以看出，在航速達到2 kn后，掛載改進流線型側掃聲吶AUV的總阻力值明顯低于掛載原側掃聲吶AUV的阻力值，并且呈現非線性增加的趨勢。

3.5 數值模擬試驗驗證

掛載原側掃聲吶AUV和掛載改進流線型側掃聲吶AUV模型在1～7 kn航速下的數值模擬得到的總阻力值見表2。發現在3 kn的航速下，掛載改進流線型側掃聲吶AUV的總阻力值比掛載原側掃聲吶AUV降低15.4%，在6 kn的航速下，掛載改進流線型側掃聲吶AUV的總阻力值比掛載原側掃聲吶AUV降低10.1%。改進后的側掃聲吶采用了流線型設計，這種設計可以減少側掃聲吶產生的正壓區和負壓區。在流體作用下，正壓區和負壓區之間會產生分離區，也就是阻力產生的主要區域。在改進后的側掃聲吶中，采用了更加流線型的設計，使得分離區的大小更小。這意味著在流體作用下，需要消耗的能量更少，因此產生的阻力也就更小，從而降低了AUV的總阻力值。

研究表明，通過采用掛載改進流線型側掃聲吶AUV的設計方案，可以有效地減小AUV在航行過程中所受到的各項阻力值。在正常航速3 kn和高航速6 kn航速下進行的對比試驗結果顯示，改進方案在正常航速和高航速下都具有顯著的減阻效果，這表明了流線型設計在提高AUV性能方面的有效性。

4 結論

本文的研究結果表明，通過對掛載原側掃聲吶的AUV和掛載改進流線型側掃聲吶的AUV進行水動力分析，發現在不同航速下，改進流線型側掃聲吶的AUV均得到了有效改善。改進后的小型AUV在3 kn航速時黏性阻力降低9%，壓差阻力降低18%，總阻力降低15.4%；在6 kn航速時黏性阻力降低4.2%，壓差阻力降低12%，總阻力降低10.1%。通過優化AUV掛載側掃聲吶的流線型，可以顯著降低AUV的阻力值，從而提高AUV的性能和效率。因此，改進流線型側掃聲吶AUV的設計方案具有廣闊的應用前景，可以為未來掛載附件的AUV提供有益的參考。

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