载荷AUV进水过程分析及分离运动仿真

潘光, 魏静, 陈诚

(1.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072; 2.解放军第94857部队, 安徽 芜湖 241007)

近些年来，随着AUV相关技术的日趋成熟，其已经逐渐称为各种背景下的海洋水下任务中的首选工具。载荷分离AUV随着AUV相关技术的发展以及商业和科研等多方面需求而出现的新型AUV。与现有的其他类AUV相比，多载荷AUV可以同时携带多个不同的工作载荷，从而大大提高了AUV的利用率以及经济性。多载荷AUV携带的是多个不同的独立载荷，每个载荷都是一个自封闭的子系统，不同载荷之间仅通过分离机构等连接装置相串接，当不发生分离时，其与多模块AUV并无区别，而通过分离，多载荷AUV可以实现不同载荷之间的完全独立工作，即不同任务、不同地点，这正是现有的其他各类AUV所缺乏的。

但是，当AUV施放载荷时，稍有不慎就有分离后的载荷和运载体发生撞击而导致分离失败的可能，所以，对AUV分离运动过程及分离安全性进行研究具有极高的实用价值。基于以上背景本文对载荷AUV分离进水过程，分离及过程分离后载荷的弹道进行了研究。

1 载荷AUV分离进水过程分析

本文建立的载荷AUV模型是无推力推动的，且具有前后2个平衡舱段和中间的1级载荷段3个部分，其中前平衡舱在航行初期通过进水来增加载荷AUV的重力，随着重心的变化使其在航行中逐步旋转下潜至分离方位，同时后平衡舱开始进水，随着重力的增加和重心的偏移，后平衡舱依靠重力分离，载荷脱离开始自由航行到达预定位置，完成既定任务。由此可见载荷AUV在分离运动时，通过进水以增加其负浮力，从而实现分离要求，故进水过程的研究与分析具有极高的实用价值。

前、后平衡舱空腔的进水过程属于涉及空气、海水的气液两相流问题，过程较为复杂。本文运用基于计算流体力学的VOF多相流技术[1]，针对前、后平衡舱空腔在静止情况下进水过程进行数值模拟，以得到进水体积及质量随时间的变化过程，避免加工模型水池实验所带来的周期长、费用高等问题。

为了简化考虑，也将前、后平衡舱的密封空气当作不可压缩流体处理，本文中的进水过程即属于互不掺混的不可压缩气/液两相流问题的范畴[1-2]。则对于整个计算域而言，控制方程[1-2]可表示为：

液相：

(1)

气相:

(2μGDG)+ρGf·VG=0

(2)

式中：下标L和G分别表示液体和气体。对于体积力,仅考虑重力的作用,则f即为重力加速度向量。

为精确模拟进水过程,计算域全部采用结构化多块网格划分的思路,最终生成了高质量的内外流场网格,计算生成了一系列前后平衡仓进水过程的进水云图,通过计算模拟的方式的展示了前后平衡仓进水全过程,以进水后期的前后平衡舱的进水云图为例,从图1、图2可以看出,进水效率较高,最终的进水体积前平衡仓可以达到92%,后平衡仓可以达到95%,满足无推冲作用下的载荷分离条件。

图1 前平衡舱进水云图

图2 后平衡舱进水云图

2 载荷AUV分离弹道仿真

当载荷AUV在前平衡舱进水的过程中运行到某一预定分离点后,在航行过程中后平衡舱开始进水,到达分离点实现与搭载单元分离,分离后载荷继续自由航行,最终降落到某一位置。载荷在分离后的航行中,有可能发生触底、和搭载单元尾部碰撞等现象。弹道仿真的目的就是通过分离姿态及运行轨迹等的仿真,得到载荷是否安全分离,是否降落到预定的位置的结果。

2.1 空间运动动力学模型

推导载荷AUV的动力学方程之前,首先假设:

① 载荷AUV单元为刚体;

② 载荷AUV完全浸没在流体介质中,并处于全黏湿状态。

载荷AUV的位置在地面坐标系中表示为r=[x0,y0,z0]T,在体坐标系中载荷AUV速度描述为v=[vx,vy,vz]T,在地面坐标系中描述其姿态为Θ=[θ,ψ,φ]T,角速度描述为ω=[ωx,ωy,ωz]T[6],载荷AUV在航行过程中具有进水过程,因此在航行过程中其质量随时间是不断变化的,因此必须考虑变质量的问题。相关的参数有:质量、重力、重心位置、转动惯量及惯性积。由于本文研究的是纵向运动则载荷AUV的运动学方程组[5-6]为:

(3)

(4)

式中：Amλ为惯性矩阵,Avω为速度矩阵,AFM为力矩阵,且

式中：

在此需要特别注意的是虽然分离前AUV整体及分离后载体段与载荷段的运动都是建立在以其各自浮心为原点的体坐标系中的,但是由于分离运动造成坐标原点的改变使得开始分离后载体段和载荷段的初始条件变得较为复杂。由于分离之后新的坐标原点和旧的坐标原点不重合,故不能把AUV分离前一时刻的运动参数作为分离后载荷段和载体段的初始条件,因此将旧体坐标系(AUV浮心为原点的体坐标系)中的载体段和载荷段的坐标投影到地面坐标系中得到载体段和载荷段的初始坐标,再通过坐标转换得到载体段和载荷段最终的运动初始条件进行下一步的计算。

2.2 典型工况下的弹道仿真结果

以载荷段用于布雷为例(即分离后载荷段具有锚雷的特性),本文研究了不同进水时间及不同初始速度条件下载荷AUV弹道曲线及分离后载荷的弹道曲线,具体如下:

1) 前平衡舱不同进水时间的载荷AUV分离弹道仿真结果

设定弹道倾角为-60°时到达载荷分离时刻,假设初始深度为-10 m,海底深度为-150 m,载荷AUV初始速度vx为2.57 m/s,vy为0,vz为0,俯仰角θ为0,前平衡舱进满水的时间不同对载荷段和后平衡舱段分离及其分离后的航行具有很大的影响,因此本文对前平衡舱进水时间为3 s、5 s的工况做了弹道仿真,结果如下:

图3 前平衡仓进水3 s时弹道仿真结果示意图 图4 前平衡仓进水5 s时弹道仿真结果示意图

通过仿真得到的弹道曲线(见图3和图4)可以看出,前平衡舱进满水的时间越短,雷体到达分离状态的时间越短,航行损耗越小,而且分离后水雷的弹道轨迹与后平衡舱的弹道轨迹没有相交的部分,证明分离后的动作过程中水雷不会与后平衡舱相碰,具有可靠的安全性。

2) 不同航行速度的载荷AUV分离弹道仿真结果

设定弹道倾角为-90°时到达载荷分离时刻,按照水池实验模型条件,假设初始深度为-0.5 m,海底深度为-150 m,载荷AUV初始速度vx不定,vy为0,vz为0,俯仰角θ为0,平衡舱进水速度不变的情况下,由于载荷AUV初始速度vx不同对载荷段和后平衡舱段分离及其分离后的航行具有很大的影响,因此本文对初始速度vx为0 kn,2 kn的工况做了弹道仿真,结果如下:

图5 初始速度为0 kn时弹道仿真结果示意图 图6 初始速度为2 kn时弹仿真结果示意图

按照水池实验模型条件，利用所建立的数学模型对其分离弹道进行仿真，仿真结果(见图5、图6)与实验结果吻合较好，同时也证明了在不大于2 kn速度航行分离后载荷的弹道轨迹与后平衡舱的弹道轨迹没有相交的部分，证明了弹道仿真结果的可靠性。

3 结 论

本文运用基于计算流体力学的VOF多相流技术，针对载荷AUV前、后平衡舱空腔在静止情况下的进水过程进行了数值模拟，以得到进水体积及质量随时间的变化过程，并对前平衡舱不同进水速度及不同初始速度作用下载荷AUV的弹道及分离后载荷的弹道进行了仿真，并与水池实验结果进行比对分析，证明了弹道仿真结果的可靠性。研究结果具有一定的工程应用价值，对多载荷AUV水下分离运动进一步的研究具有指导意义。

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