一种碟形水下直升机外形的CFD仿真优化及验证方法

一种碟形水下直升机外形的cfd仿真优化及验证方法
技术领域
1.本发明涉及水下航行器外形优化及水动力验证技术，特别涉及一种基于cfd仿真的碟形水下航行器(水下直升机)的外形优化方法，以及其实验验证的方法。


背景技术：

2.自主水下航行器(auv)被广泛用于海洋环境监测、目标探测、特殊海域巡航等水下作业任务。鱼雷形auv由于具有流线型轮廓而具有良好的直线性能。因此，它们适用于高速、远程和准单向研究。尽管如此，大多数传统的鱼雷形auv机动性差(例如，转弯直径较大)。因此，在地形复杂的海床附近部署这种auv进行小范围作业是不适用的。
3.对于水下航行器水动力性能的研究，通常的方法是制作航行器模型后使用大型试验设施获取阻力等信息，该过程会用到诸如拖曳水池、旋臂水池、六轴仪等设备。如果能严格遵守测试标准，实验数据是可靠的，但这是一个耗时且昂贵的过程。另外，计算流体动力学(cfd)近年来非常流行，已成功应用于鱼雷形auv和自主水下滑翔机(aug)的阻力和动态稳定性研究。但是，航行器的水动力仿真对流场域网格质量及数量要求高，需要在仿真计算前对网格无关性进行研究。此外，cfd软件中不同的湍流模型适用的范围不同，故在计算前需要对不同的湍流函数进行比较以确定最合适模型。
4.相对于鱼雷形auv和自主水下滑翔机(aug)而言，可悬停的auv能通过一定数量的推进器及特定的安装位置保持其水平和垂直姿态。例如，本技术人曾经提出一种轴对称、盘形的自主式水下直升机(中国发明专利申请cn201610304107.4)，能够以单一姿势在水平(纵荡)和垂直(升沉)方向上移动，并且在水平方向上具有零转弯半径。该设备的运动方式是通过安装在船体中的两个垂直推进器和四个水平推进器来实现的。申请人在后续的进一步研究中发现，在碟形基本几何形状的情况下，在水平运动期间观察到与运动方向相反的阻力分量和垂直于运动方向阻力分量的脉动，并且随着速度的增加这一趋势变得更加明显。研究结果显示，水平方向上的阻力会增加水下直升机能源的消耗，垂直方向上的阻力会使水下直升机在航行时出现俯仰运动且增加运动控制的难度。
5.基于上述问题，本发明拟针对碟形水下直升机外形提出优化，并通过仿真与实验验证优化的有效性。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种碟形水下直升机外形的cfd仿真优化及验证方法。为此，本发明提出合适的cfd计算湍流模型以及流场域网格划分方法，将其用于水动力验证的实验。
7.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
8.提供一种碟形水下直升机外形的cfd仿真优化方法，包括以下步骤：
9.(1)在fluent cfd软件中建立仿真域模型和完全碟形水下直升机简化的三维模型，水下直升机居中放置，选择水为流体介质；根据水下直升机表面的瞬态阻力选择湍流模
型；
10.(2)对水下直升机模型的外形进行局部修改，然后再次获取其表面的瞬态阻力数据，并与优化前的数据进行比较；根据比较结果判断外形优化的效果，以确定是否需要进一步优化；
11.(3)重复步骤(2)，按直升机尾部优化的直线轮廓与原轮廓相切点不断上移的原则对水下直升机模型的外形进行逐步优化；直至针对最终模型进行水动力测试时，能在任意x轴方向上达到最佳降阻效果，且在相应的y轴、z轴方向上达到最佳稳定效果。
12.本发明还提供了一种基于该cfd仿真优化方法的验证方法，是利用cfd仿真优化过程中获得的碟形水下直升机的最初状态、中间过渡态和最终优化状态的模型数据，制作成缩尺比模型后进行实验验证；具体包括以下步骤：
13.(1)利用模型数据和3d打印技术，制作碟形水下直升机的最初状态、中间过渡态和最终优化状态的缩尺比模型，然后分别对各模型进行实验；
14.(2)选择naca标准翼型作为缩尺比模型与水槽之间的连接结构，以naca翼型迎流面积较小的一侧朝着流向；
15.(3)将模型安装在水槽内的居中位置，注水并使水深为水下直升机厚度的8倍；
16.(4)将adv流速仪安装在距离水下直升机尾部设定尺寸的位置，测量水下直升机尾部的多个设定点处的流速；
17.(5)开启水槽的进水阀和出水阀，稳定一段时间后，将水槽中的流速控制在0.6m/s；
18.(6)建立adv流速仪与电脑之间的通信，获取各点的流速数据，通过origin软件对流速结果进行作图分析；通过优化前后缩尺比模型尾部流速的大小以及流速的波动情况，判断外形优化方向的正确性。
19.发明原理简述：
20.本发明根据圆柱绕流涡街振动原理(流体力学里的一个现象，可参考“卡门涡街，涡激振动、颤振以及桥梁振动原因简析”https://www.bilibili.com/read/cv5992944/的介绍)，在完全碟形水下直升机的基础上对其外形进行优化，使水流能平滑地流过auh的外表面，减少尾部产生的旋涡，从而保证航行的稳定性。此外，外形优化能够降低水动力阻力中的压差阻力部分，能够进一步降低能源的消耗。对于航行器优化结果的验证，首先使用cfd技术进行定量的分析。在正式计算前对湍流函数及网格数量进行对比确定。在仿真的基础上，通过一个简单的模型实验对优化结果进一步的验证分析。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.(1)本发明提出了完全碟形水下航行器(水下直升机)局部优化的方法，通过对其尾部轮廓进行简单的调整来降低其压差阻力和减少旋涡的释放。从而进一步提高其续航能力以及航行稳定性。
23.(2)本发明通过对水下直升机外形的局部简化，得到了其cfd计算的简化三维模型。通过icem软件将仿真流体域划分了六面体结构化网格来保证网格质量，并在水下直升机周围建立了内部流域来划分边界层网格。通过icem软件的block移植技术可以保证优化的每一代水下直升机模型划分相同数量且相同结构的网格。在cfd的计算中，首先对其网格数量进行了讨论分析确定。
24.(3)本发明在cfd计算中对比了standard k-e与rng k-e两种湍流模型的结果，通过水下直升机的侧向力确定了适合水下直升机仿真的湍流模型。该模型能够捕捉到水下直升机表面的二次流以及旋涡的脱落。
25.(4)本发明通过3d打印优化前后的缩尺比模型以及设计简单的水下直升机尾部流速实验来验证外形优化方案的合理性，该实验相对于使用大型试验设施要更节省成本。
附图说明
26.图1是水下直升机三维模型(a)及简化模型(b)；
27.图中附图标记：铱星gps天线1；超短基线2；水下直升机导流外壳3；螺旋桨4；支撑框架5。
28.图2是水下直升机三维仿真域图；
29.图3是流场域网格划分示意图(a为流场网格，b为水下直升机壁面网格示意图)；
30.图4是完全碟形水下直升机阻力结果；
31.图5是外形优化三维模型图；
32.图中，a、b、c、d分别为三代模型剖面轮廓图、hg1三维示意图、hg2三维示意图、hg3三维示意图；hg1为完全碟形水下直升机轮廓，hg2为中间过渡态水下直升机轮廓，hg3为优化后水下直升机轮廓；
33.图6是优化后水下直升机以及过渡态水下直升机阻力结果；
34.图中，(a)为hg2的各阻力分量示意图，(b)为hg3的各阻力分量示意图；
35.图7是adv实验设施示意图以及adv测量点位置图；
36.图中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为实验平台侧面示意图、实验平台俯视示意图、实验平台侧面示意图、直升机尾部测量点位置示意图；
37.图8是完全碟形水下直升机以及优化水下直升机缩尺比模型的adv流速测量结果；
38.图9是完全碟形水下直升机在两种湍流模型下不同网格数量时的侧向力fy随时间演化过程，(a)standard k-e，(b)rng k-e。
具体实施方式
39.下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。
40.1、在fluent cfd软件中建立仿真域模型和完全碟形水下直升机简化的三维模型，水下直升机居中放置，选择水为流体介质；根据水下直升机表面的瞬态阻力选择湍流模型；具体步骤如下：
41.(1)以图1中(a)所示的水下直升机三维模型为例，其直径最大处为1557mm，回转轴线处高度最大为800mm，建立(b)所示的完全碟形水下直升机简化的三维模型。然后建立fluent cfd计算软件的仿真域模型，如图2所示，仿真域的尺寸沿水流方向的长度为10d(d为水下直升机直径)，水下直升机距离入口为3d，垂直于水流方向上的宽度及深度尺寸都为5d，水下直升机居中放置；
42.(2)将建立好的仿真域模型导入到icem软件中进行六面体结构化网格的划分，并在水下直升机周围建立内部流域以划分边界层网格(如图3所示)。将整个流场域划分四种数量的网格，并保证相邻数量的网格增量不小于20％；
43.有限元分析(fea，finite element analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元(网格)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。比如用一个多边形去逼近一个圆弧曲线，那么多边形的边数量越多，则逼近的效果就更好。那么在做流场分析中，流场网格数量越多，所有网格构成的形状就约逼近真实流场的几何形状。但当网格数量越多时，计算机求解的时间也越长。故在满足求解精度的前提下，网格数量越少越好。
44.(3)将划分好的数量最小的网格导入到fluent软件中，选择双精度模式，求解器类型为基于压力模式，将计算模式选择为瞬态模型，选择水为流体介质；
45.(4)将仿真域模型的进口边界条件设置为2m/s的速度入口，出口边界条件设置为0pa的压力出口，水下直升机的表面及壁面边界条件设置为绝热壁面、无滑移边界；
46.(5)选择standard k-e与rng k-e湍流模型，并作对比；
47.(6)在水下直升机的x、y、z三个轴向上建立监视器，记录表面的瞬态阻力随时间的变化情况；
48.(7)在完成网格数量最少的水下直升机仿真计算后(仿真时间为90s以保证流场充分发展及阻力波动变化稳定)，将其他三个数量的网格导入fluent软件中，并重复步骤(3)至步骤(6)；
49.(8)将四种网格数量及两种湍流模型得到的总共八组仿真结果，导入到origin软件中进行作图分析。以x轴方向的时均阻力为标准对网格数量进行研究，若时均阻力没有稳定，则继续增加网格数量并重复步骤(3)至步骤(6)。当时均阻力稳定后，以该网格数量下的y向侧向阻力为标准对两种湍流模型进行比较分析，从而确定最终的cfd计算网格数量及湍流模型。
50.本发明中，所述瞬态阻力是指每一个时间步对应的阻力，比如时间步为0.01s时，那么瞬态阻力表示每一个0.01s对应的阻力。连续起来就是随时间不断变化的力。所述时均阻力是指在一个时间段上，阻力的平均值。瞬态阻力主要用来分析阻力的波动情况，用来判断稳定性。时均阻力主要用来对比降阻的效果。
51.2、对水下直升机模型的外形进行局部修改，然后再次获取其表面的瞬态阻力数据，并与优化前的数据进行比较；根据比较结果判断外形优化的效果，以确定是否需要进一步优化。即将前后两次仿真的结果进行比较，当降阻效果和稳定性提升效果几乎不变时，则为最优的结果。若两次结果仍有比较明显的差异，则可进一步优化。
52.具体地包括以下步骤：
53.(9)完全碟形水下直升机前后呈对称形状，根据涡街释放的原理，水流经过水下直升机表面后会产生旋涡的周期性脱落，故会引起水下直升机侧向力的周期性波动。因此，需要对水下直升机尾部进行局部的优化来减小旋涡的释放。如图5(a)中hg2轮廓及图5(c)所示，随机选择水下直升机轮廓上下对称的两个点(图5(a)中h点)，将两点之间的圆弧线更改成直线，该直线与原来的轮廓相切；
54.(10)根据优化后的水下直升机，重新建立新的仿真域模型和水下直升机简化三维模型；
55.(11)将新的仿真域模型导入到icem中划分网格，网格数量与步骤(8)中确定的最终网格数量相同。将该网格导入到fluent软件中，选择双精度模式，求解器类型为基于压力
模式；将计算模式选择为瞬态模型，选择水为流体介质；
56.(12)将仿真域模型的进口边界条件设置为2m/s的速度入口，出口边界条件设置为0pa的压力出口，航行器表面及壁面边界条件设置为绝热壁面、无滑移边界；
57.(13)选择步骤(8)中确定的湍流模型；
58.(14)在新的水下直升机模型的x、y、z三个轴向上建立监视器，记录表面的瞬态阻力随时间的变化情况；仿真时间为90s，以保证流场充分发展及阻力波动变化稳定。
59.(15)将步骤(14)得到的阻力结果导入到origin软件中进行作图分析，并与步骤(1.7)中优化前的阻力结果进行对比；具体地，根据x轴方向上的阻力变化来判断优化措施是否有降阻效果，根据y轴、z轴方向上的侧向力变化来判断优化措施是否有提高稳定性效果，综合考虑判断结果后确认下一步优化的方向。
60.根据水动力比较结果，初步验证外形优化方法的正确性，并确定最终优化的方法对水下直升机进行最终的优化，如图5(a)hg3及图5(d)所示。
61.3、重复步骤(9)-(15)，按直升机尾部优化的直线轮廓与原轮廓相切点不断上移的原则对水下直升机模型的外形进行逐步优化；直至针对最终模型进行水动力测试时，能在任意x轴方向上达到最佳降阻效果，且在相应的y轴、z轴方向上达到最佳稳定效果。具体包括：
62.(16)对最终优化的水下直升机建立仿真域模型，然后参照步骤(11)-(14)的操作，重复执行一次，得到最终优化状态下的模型数据。
63.基于上述碟形水下直升机外形的cfd仿真优化方法，本发明进一步对获得的水下直升机的优化效果进行实验验证。具体是利用cfd仿真优化过程中获得的碟形水下直升机的最初状态、中间过渡态和最终优化状态的模型数据，制作成缩尺比模型后进行实验验证；包括以下步骤：
64.(17)如图7(c)所示，利用模型数据和3d打印技术，制作碟形水下直升机的最初状态、中间过渡态和最终优化状态的缩尺比模型，然后分别对各模型进行实验；
65.(18)如图7(c)所示，选择naca标准翼型作为缩尺比模型与水槽之间的连接结构，naca翼型迎流面积较小的方向朝着流向；
66.(19)如图7(a)、7(b)所示将模型安装在水槽中的居中位置，水的深度为水下直升机厚度的8倍；
67.(20)如图7(c)所示，将adv流速仪安装在水下直升机尾部一定距离的位置。如图7(d)所示，通过adv流速仪测量水下直升机尾部9个设定点处的流速。图中e点为水下直升机正后方，其他各点在宽度方向上偏离e点35mm高度方向上偏离e点15mm；
68.(21)开启水槽的进水阀和出水阀，稳定一段时间，将水槽流速控制在0.6m/s；
69.(22)建立adv流速仪与电脑之间的通信，并保存数据，通过origin软件对流速结果进行作图分析。根据能量守恒原理可知，水下直升机阻力越小，故其对流场的阻碍效果就越小，因此水流经过水下直升机后在其尾部的流速就越大。此外，航行器的阻力与流速成正向关系，流速波动越大，阻力就波动越大。故通过判断优化前后缩尺比模型尾部流速的大小以及流速的波动情况，来判断外形优化方向的正确性。
70.优化结果分析：
71.首先对完全碟形水下直升机(hg1)的水动力性能进行计算，在2m/s的速度下以x方
向时均阻力f
x
为标准检查了hg1模型在rng k-e与standard k-e两种湍流模型下网格无关性。从表1中可以看到rng k-ε和标准rng模型计算得到的f
x
随着网格数量n增加而减小，并当网格数量n达到11百万时，f
x
的值稳定，故在hg2与hg3的仿真计算中使用11百万的网格。
72.如图9所示，使用standard k-e模型(图9(a))可以在400万网格处观察到非零恒定侧向力fy。当n超过600万时，侧向力fy变为零。类似地，如图9(b)所示，使用rng k-e模型在低网格数下观察到fy轻微的波动，准稳态下fy的平均值不为零，当n超过1100万时，fy的平均值接近于零，并且计算的力变得显著变化。因此，非零fy的出现是由于低网格数量下分辨率有限，导致后部流场不对称。然而，可以发现standard k-e计算的阻力明显小于基于rng k-e模型的阻力。standard k-e模型低估了阻力，也无法捕捉侧向力的变化，因此，在下面的研究中不使用该模型。对于rng k-e模型，高达1千万的网格数对于捕捉水下直升机周围的对称流场至关重要。
73.表1 2m/s水平速度下hg1时均阻力f
x
[0074][0075]
hg1三个方向的阻力随时间的演化过程如图4所示，其中f
x
的平均值为90n，其振幅大约为20n。侧向力fy与fz关于0阻力呈上下振荡，其平均值为0，由于水下直升机深度方向上迎流面积要远远大于宽度方向上的迎流面积，故fz的振幅(40n)要明显大于fy的振幅(20n)。
[0076]
在hg1阻力结果基础上，对水下直升机尾部进行了优化。如图5(a)所示，在h点对水下直升机尾部轮廓进行了调整，将圆弧曲线更改为上下对称的直线，两直线在i点相交，以此得到了hg2的轮廓。hg2三维图如图5(c)所示。
[0077]
进一步的，在hg2的基础上，在f点对水下直升机尾部轮廓进行了调整，两直线在g点相交，以此得到了hg3的轮廓。hg3三维图如图5(d)所示。图5(a)中各个点的控制参数如表2所示。
[0078]
表2控制点参数
[0079][0080]
使用icem软件将hg2与hg3划分同hg1相同的数量及相同结构的网格并使用rng k-e湍流模型对其阻力进行了求解。如图6(a)和(b)，对于后部边缘锐化的hg2(f
x
平均值为
85n，振幅为10n；fy振幅大约为5n；fz振幅大约为20n)，波动比hg1稍小。对于在后部进行进一步优化的hg3，根据rans数值模拟，阻力波动消失，反映出相当稳定的喘振运动。因此，可以认为hg3几何结构是auh理想的船体几何结构，在喘振期间具有流体动力学稳定性，并且具有良好的减阻性能。
[0081]
表3图7(d)所示不同位置的时间平均流速
[0082][0083]
如实验部分所述，hg1和hg3船体的比例模型在水道中进行试验，并在d＝172.2mm的基准面上的九个位置测量局部流速。如图7(d)所示，由于水下直升机呈上下左右对称，故选取a、b、d、e四个位置的时间平均速度分析。如表3所示，在参考平面的所有位置，hg3几何体的x方向时间平均速度远大于hg1几何体的时间平均速度。因此，可以推断hg3的阻力远小于hg1。此外，图8所示为hg1与hg3在a、b两点x方向速度随时间变化情况。通过比较可以返现hg1的尾部流速波动要明显大于hg3的尾部流速。根据能量守恒原理可知，水下直升机阻力越小，故其对流场的阻碍效果就越小，因此水流经过水下直升机后在其尾部的流速就越大。此外，水下直升机的阻力与流速成正向关系，流速波动越大，阻力就波动越大。故根据优化前后缩尺比模型尾部流速的大小以及流速的波动情况进一步验证了外形优化方法的合理性，且该实验方法相对于使用拖曳水池及悬臂水池要更节省成本。
[0084]
本发明通过计算流体力学和水槽实验，研究了水下直升机在纵荡运动中的水动力性能和优化方法。通过观察发现，后部的形状显著影响流体动力特性。与原轴对称船体几何相比，通过适当的尾部延伸和锐化，二次流区域在纵荡运动中受到抑制，从而显著降低了水动力阻力和阻力波动。与原始几何结构相比，改进后的几何结构在实际工作条件下还表现出良好的稳定性。本技术提出的实验验证方法可有效地定性验证水下直升机的水动力减阻性能和运动稳定性。
[0085]
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。