本發(fā)明屬于目標(biāo)特性與識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的邊界層網(wǎng)格求解方法。

背景技術(shù)：

水下滑翔機(jī)是一種新型的水下無纜機(jī)器人，它的動(dòng)力源為海水的凈浮力，依靠?jī)舾×λ禄铏C(jī)可以在海水中沿著鋸齒狀的軌道緩慢滑行。因?yàn)樗鼪]有推力系統(tǒng)，所以具有噪音小，續(xù)航久，滑行距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。并且其上可以安裝各種傳感器作為輔助，水下滑翔機(jī)在海洋大數(shù)據(jù)收集、軍事偵查、海洋環(huán)境與資源監(jiān)測(cè)等方面起著至關(guān)重要的作用。近年來，水下滑翔機(jī)數(shù)值模擬主要是升阻比的計(jì)算，更大的升力，更小的阻力及更大的升阻比可使滑翔機(jī)可帶來更好的續(xù)航，提高其水動(dòng)力效率。因此，本發(fā)明提出一種不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的數(shù)值求解方法，目的是確定水下滑翔機(jī)的最佳滑行角度，并能得到不同攻角下的阻力與升力，為后續(xù)水下滑翔機(jī)的控制系統(tǒng)以及動(dòng)力源的選擇提供理論支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有計(jì)算方法對(duì)水下滑翔機(jī)滑行效率問題求解的準(zhǔn)確性較差的現(xiàn)狀，為此而提供了一種不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的邊界層網(wǎng)格求解方法。

一種不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的邊界層網(wǎng)格求解方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟A、水下滑翔機(jī)物理模型簡(jiǎn)化：

首先要在ICEM中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化中對(duì)尾舵進(jìn)行了修補(bǔ)、去掉了對(duì)流體仿真影響較小的釋放前的掛鉤以及通訊系統(tǒng)，如圖一所示。

步驟B、創(chuàng)建水下滑翔機(jī)流體外域如下：

利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對(duì)水下滑翔機(jī)建立圓柱形流體域，流體域前部為水下滑翔機(jī)頭部相似的半圓結(jié)構(gòu)，如圖二所示，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成帶有邊界層網(wǎng)格的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖三所示。

步驟C、確定水下滑翔機(jī)的數(shù)值模擬條件：

將水下滑翔機(jī)網(wǎng)格導(dǎo)入到 Fluent 中，依據(jù)前期推導(dǎo)得出的湍流模型，以及水下滑翔機(jī)的實(shí)際工作情況，分別設(shè)置邊界條件為入口邊界條件、出口邊界條件、以及壁面邊界條件，設(shè)置海水流體介質(zhì)，分別對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行常用的-10°至10°攻角進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。并進(jìn)行6000步的迭代運(yùn)算，設(shè)置監(jiān)視器，模擬仿真，獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

步驟D、進(jìn)行不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的數(shù)值求解計(jì)算。

步驟E、進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果后處理，將數(shù)值分析得到的升力與阻力結(jié)果進(jìn)行匯總，得到升阻比，擬合出升阻比隨攻角變化的曲線，得出對(duì)比曲線圖，通過對(duì)比得出其最佳滑行角度。

發(fā)明效果：

本發(fā)明通過流體數(shù)值模擬的方法獲取水下滑翔機(jī)最佳滑行效率，得出了不同攻角下升阻比，通過模擬值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，吻合情況較好，驗(yàn)證了數(shù)值求解方法的準(zhǔn)確性。此分析方法可以推廣到其它系列水下運(yùn)動(dòng)機(jī)器中，與傳統(tǒng)的復(fù)雜公式推導(dǎo)相比節(jié)省了計(jì)算周期，計(jì)算效率可提高兩倍以上，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比節(jié)省了人力物力，更加經(jīng)濟(jì)，更能有效的預(yù)測(cè)和求解水下機(jī)器的效率等問題。

附圖說明

圖1是水下滑翔機(jī)簡(jiǎn)化示意圖；

圖2是水下滑翔機(jī)流體域示意圖；

圖3是邊界層網(wǎng)格示意圖；

圖4是壓力場(chǎng)分布。

具體實(shí)施方式

一種不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的邊界層網(wǎng)格求解方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明以計(jì)算機(jī)仿真為主要研究手段，主要分為數(shù)值建模以及CFD仿真，其中CFD仿真又分為網(wǎng)格劃分（前處理），計(jì)算求解，和結(jié)果分析（后處理）；

步驟A、水下滑翔機(jī)模型簡(jiǎn)化：

首先要在ICEM中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型的簡(jiǎn)化不僅可以提高網(wǎng)格質(zhì)量、提高計(jì)算的精度，同時(shí)還大大的縮減了計(jì)算的時(shí)間，是仿真分析中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化中對(duì)尾舵進(jìn)行了修補(bǔ)、去掉了釋放前的掛鉤以及通訊系統(tǒng)。

步驟B、創(chuàng)建水下滑翔機(jī)流體外域如下：

由于水下滑翔機(jī)跟外流場(chǎng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，假定水下滑翔機(jī)不動(dòng)，流體以相對(duì)水下滑翔機(jī)滑行的速度流動(dòng)。利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對(duì)水下滑翔機(jī)建立圓柱形流體域，流體域前部為水下滑翔機(jī)頭部相似的半圓結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成帶有邊界層網(wǎng)格的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖三所示，網(wǎng)格數(shù)量210萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)45萬。

步驟C、確定水下滑翔機(jī)的數(shù)值模擬條件：

假定條件為：海水為不可壓縮流體，不考慮波浪的影響。海水密度和溫度保持恒定，即在15℃時(shí)，密度為ρ=1025.0kg/m³，動(dòng)力粘性系數(shù)為μ=1.219×10^-3kg/m·s^-1。不再考慮地球的表面曲率以及地球自轉(zhuǎn)，將海水視為平面。略海水壓力而使水下滑翔機(jī)殼體產(chǎn)生的彈性形變，把水下滑翔機(jī)視為體積不變的剛體。

依據(jù)前期推導(dǎo)得出的湍流模型，以及水下滑翔機(jī)的實(shí)際工作情況，分別設(shè)置邊界條件為入口邊界條件、出口邊界條件、以及壁面邊界條件，設(shè)置海水流體介質(zhì)，分別對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行常用的-10°至10°攻角進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。

步驟D、進(jìn)行不同攻角下水下滑翔機(jī)升阻比的數(shù)值求解計(jì)算。

步驟D1、打開流體力學(xué)計(jì)算軟件，通過File中的Import導(dǎo)入網(wǎng)格模型文件shuixiahuaxiangji. mesh，并通過Grid進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查；

步驟D2、通過Define進(jìn)行求解器Solver的參數(shù)設(shè)置，采用三維定常流體流動(dòng)設(shè)置；

步驟D3、通過Define進(jìn)行材料屬性Materials設(shè)置，主要給出所研究海水的粘度和密度參數(shù)等；

步驟D4、通過Define進(jìn)行模型Models設(shè)置，選擇帶有RNGk-ε的湍流方程，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，其余保持默認(rèn)；

步驟D5、進(jìn)行Define-Boundary Conditions邊界條件設(shè)定，選擇速度入口velocity-inlet，當(dāng)攻角為0°，速度為0.5m/s時(shí)，具體設(shè)置如表所示。根據(jù)攻角的不同來適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)Y軸的速度，滑翔機(jī)在滑翔運(yùn)動(dòng)時(shí)，攻角一般不超過10°，算出其Y軸分量，同時(shí)帶入Y-Velocity（m/s），出口處選擇自由出流outflow，壁面為無滑動(dòng)壁面wall航行器表面均為靜止無滑移壁面wall，且表面粗糙度為0；

步驟D6、進(jìn)行監(jiān)視器平面設(shè)置；

步驟D7、殘差設(shè)置為10^-5初始化流場(chǎng)，進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代6000步數(shù)后提示流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算收斂，獲取計(jì)算結(jié)果。

步驟E、進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果后處理，將數(shù)值分析得到的升力與阻力結(jié)果進(jìn)行匯總，得到升阻比，擬合出升阻比隨攻角變化的曲線，得出對(duì)比曲線圖，通過對(duì)比得出其最佳滑行角度，如表所示，可得出此類型水下滑翔機(jī)攻角為8°時(shí)，升阻比為最大，此時(shí)有最高的滑行效率。

本實(shí)施方式效果：

通過本發(fā)明的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可知， 當(dāng)攻角為8°時(shí)具有最高升阻比，此時(shí)水下滑翔機(jī)滑行效率最高，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了邊界層網(wǎng)格數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，得到的吻合情況較好。此分析方法可以推廣到其它系列水下運(yùn)動(dòng)機(jī)器中，與傳統(tǒng)的復(fù)雜公式推導(dǎo)相比節(jié)省了計(jì)算周期，計(jì)算效率可提高兩倍以上，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比節(jié)約了人力物力，更能有效的預(yù)測(cè)和求解水下機(jī)器的效率等問題。