一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的边界层网格求解方法与流程

本发明属于目标特性与识别技术领域，涉及了一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的边界层网格求解方法。

背景技术：

水下滑翔机是一种新型的水下无缆机器人，它的动力源为海水的净浮力，依靠净浮力水下滑翔机可以在海水中沿着锯齿状的轨道缓慢滑行。因为它没有推力系统，所以具有噪音小，续航久，滑行距离长等特点。并且其上可以安装各种传感器作为辅助，水下滑翔机在海洋大数据收集、军事侦查、海洋环境与资源监测等方面起着至关重要的作用。近年来，水下滑翔机数值模拟主要是升阻比的计算，更大的升力，更小的阻力及更大的升阻比可使滑翔机可带来更好的续航，提高其水动力效率。因此，本发明提出一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的数值求解方法，目的是确定水下滑翔机的最佳滑行角度，并能得到不同攻角下的阻力与升力，为后续水下滑翔机的控制系统以及动力源的选择提供理论支撑。

技术实现要素：

本发明是要解决现有计算方法对水下滑翔机滑行效率问题求解的准确性较差的现状，为此而提供了一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的边界层网格求解方法。

一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的边界层网格求解方法按以下步骤实现：

步骤A、水下滑翔机物理模型简化：

首先要在ICEM中对模型进行简化，简化中对尾舵进行了修补、去掉了对流体仿真影响较小的释放前的挂钩以及通讯系统，如图一所示。

步骤B、创建水下滑翔机流体外域如下：

利用ICEM网格划分软件对水下滑翔机建立圆柱形流体域，流体域前部为水下滑翔机头部相似的半圆结构，如图二所示，并对其进行网格划分，生成带有边界层网格的非结构化网格，对边界层进行网格加密处理，如图三所示。

步骤C、确定水下滑翔机的数值模拟条件：

将水下滑翔机网格导入到 Fluent 中，依据前期推导得出的湍流模型，以及水下滑翔机的实际工作情况，分别设置边界条件为入口边界条件、出口边界条件、以及壁面边界条件，设置海水流体介质，分别对水下滑翔机进行常用的-10°至10°攻角进行数值仿真模拟。并进行6000步的迭代运算，设置监视器，模拟仿真，获得流场数据。

步骤D、进行不同攻角下水下滑翔机升阻比的数值求解计算。

步骤E、进行数据结果后处理，将数值分析得到的升力与阻力结果进行汇总，得到升阻比，拟合出升阻比随攻角变化的曲线，得出对比曲线图，通过对比得出其最佳滑行角度。

发明效果：

本发明通过流体数值模拟的方法获取水下滑翔机最佳滑行效率，得出了不同攻角下升阻比，通过模拟值和实验值对比，吻合情况较好，验证了数值求解方法的准确性。此分析方法可以推广到其它系列水下运动机器中，与传统的复杂公式推导相比节省了计算周期，计算效率可提高两倍以上，与传统实验相比节省了人力物力，更加经济，更能有效的预测和求解水下机器的效率等问题。

附图说明

图1是水下滑翔机简化示意图；

图2是水下滑翔机流体域示意图；

图3是边界层网格示意图；

图4是压力场分布。

具体实施方式

一种不同攻角下水下滑翔机升阻比的边界层网格求解方法按以下步骤实现：

本发明以计算机仿真为主要研究手段，主要分为数值建模以及CFD仿真，其中CFD仿真又分为网格划分（前处理），计算求解，和结果分析（后处理）；

步骤A、水下滑翔机模型简化：

首先要在ICEM中对模型进行简化，模型的简化不仅可以提高网格质量、提高计算的精度，同时还大大的缩减了计算的时间，是仿真分析中必不可少的一个环节，简化中对尾舵进行了修补、去掉了释放前的挂钩以及通讯系统。

步骤B、创建水下滑翔机流体外域如下：

由于水下滑翔机跟外流场做相对运动，假定水下滑翔机不动，流体以相对水下滑翔机滑行的速度流动。利用ICEM网格划分软件对水下滑翔机建立圆柱形流体域，流体域前部为水下滑翔机头部相似的半圆结构，并对其进行网格划分，生成带有边界层网格的非结构化网格，对边界层进行网格加密处理，如图三所示，网格数量210万，节点数45万。

步骤C、确定水下滑翔机的数值模拟条件：

假定条件为：海水为不可压缩流体，不考虑波浪的影响。海水密度和温度保持恒定，即在15℃时，密度为ρ=1025.0kg/m³，动力粘性系数为μ=1.219×10^-3kg/m·s^-1。不再考虑地球的表面曲率以及地球自转，将海水视为平面。略海水压力而使水下滑翔机壳体产生的弹性形变，把水下滑翔机视为体积不变的刚体。

依据前期推导得出的湍流模型，以及水下滑翔机的实际工作情况，分别设置边界条件为入口边界条件、出口边界条件、以及壁面边界条件，设置海水流体介质，分别对水下滑翔机进行常用的-10°至10°攻角进行数值仿真模拟。

步骤D、进行不同攻角下水下滑翔机升阻比的数值求解计算。

步骤D1、打开流体力学计算软件，通过File中的Import导入网格模型文件shuixiahuaxiangji. mesh，并通过Grid进行网格质量检查；

步骤D2、通过Define进行求解器Solver的参数设置，采用三维定常流体流动设置；

步骤D3、通过Define进行材料属性Materials设置，主要给出所研究海水的粘度和密度参数等；

步骤D4、通过Define进行模型Models设置，选择带有RNGk-ε的湍流方程，壁面函数为标准壁面函数，其余保持默认；

步骤D5、进行Define-Boundary Conditions边界条件设定，选择速度入口velocity-inlet，当攻角为0°，速度为0.5m/s时，具体设置如表所示。根据攻角的不同来适当的调节Y轴的速度，滑翔机在滑翔运动时，攻角一般不超过10°，算出其Y轴分量，同时带入Y-Velocity（m/s），出口处选择自由出流outflow，壁面为无滑动壁面wall航行器表面均为静止无滑移壁面wall，且表面粗糙度为0；

步骤D6、进行监视器平面设置；

步骤D7、残差设置为10^-5初始化流场，进行迭代计算，迭代6000步数后提示流场数值计算收敛，获取计算结果。

步骤E、进行数据结果后处理，将数值分析得到的升力与阻力结果进行汇总，得到升阻比，拟合出升阻比随攻角变化的曲线，得出对比曲线图，通过对比得出其最佳滑行角度，如表所示，可得出此类型水下滑翔机攻角为8°时，升阻比为最大，此时有最高的滑行效率。

本实施方式效果：

通过本发明的数值计算结果分析可知， 当攻角为8°时具有最高升阻比，此时水下滑翔机滑行效率最高，并通过实验验证了边界层网格数值模拟的准确性，得到的吻合情况较好。此分析方法可以推广到其它系列水下运动机器中，与传统的复杂公式推导相比节省了计算周期，计算效率可提高两倍以上，与传统实验相比节约了人力物力，更能有效的预测和求解水下机器的效率等问题。