מבוא רובוטים תת-קרקעיים ו חקר האוקיינוס

חקר האוקיינוסים בעולם נכנס לעידן חדש המונע על ידי כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) רובוטים מתוחכמים אלה הם פורסים עבור מיפוי עמוק, ניטור סביבתי, פיקוח תשתיות אנרגיה offshore, וארכיאולוגיה ימית.כפי שמשימות לדחוף למים עמוקים יותר, עוינים יותר, הביצועים של AUV תלוי במידה רבה ביכולתו לנוע ביעילות באמצעות מים.

חשיבותו של ניתוח הידרודינמיקה עבור AUVs

מים הם בערך 800 פעמים צפופים יותר מאשר אוויר, מה שהופך את גרור כוח דומיננטי עבור כל כלי תת-ימי. A מתוכנן היטב AUV חייב למזער את גרר להאריך את חיי הסוללה, למקסם את המהירות, ולשמור על שליטה מדויקת.ניתוח הידרודינמיקה מגלה כיצד הזרמה מפרידה מן ההילה, שבו מערבולת את הצורה של הידרוגנית, וכיצד לחץ ⁇ ליצור התנגדות.

גורם קריטי נוסף נוסף הוא מסה - העלייה לכאורה במסה בשל הנוזלים שיש להאיץ עם הרכב.החיזוי מדויק של אפקטים המוניים הנוספים הוא חיוני עבור מודלים של תמרונים טרנסיים כגון תפנית או צלילה.הפתרון הבלתי יציב של ANSYS ו-6 מעלות-of-ple-of-dom (6-DOF) מאפשר למהנדסים ללכוד את הדינמיקה הזו במבחנים וירטואליים.

מימון של AUV הידרודינמיקה

דרגו קומונס

דרדר על גרורת AUV מורכב מגרור חיכוך (חיכוך עור) וגרור לחץ (לשעבר גרר תוצאות גרר פריצה מן הלחץ Shear לאורך משטח ה-hll, מושפע על ידי משטחים גסים ואזור רטוב.לחץ נובע מהבדל הלחץ בין החזית לבין אחורי הרכב, מושפע מאוד צורה. עבור גופים מפלט, חיכוך שולט, בעוד uffuffuffal או גרוע לייצר לחץ משמעותי (גרורת) הוא פונקציה גסטרול (Rultal) הוא גרטוגן משותף.

מילואים וצד

למרות ש- AUVs אינם מטוסים, הם חווים כוחות הרים כאשר משטחים שליטה כגון פינים או כנפיים הם זוהים יחסית לזרימה.כוחות אלה משמשים לשליטה לעומק, תפנית, וייצוב.ניתוח הידרודינמיקה חייב לקחת בחשבון את האינטראקציה הלא ליניארית בין ההול ונספחים. vortics מובילים ממעצבים יכולים אינטראקציה עם ההתעוררות, המשפיעה על הפצת כוח כללי.

תוספת של Mass and Damping

כאשר AUV מאיצה, זה חייב לנתק את המים הסובבים, אשר מתנגד תנועה בשל אינרציה.אפקט המסה נוסף הוא תלוי בכיוון עצמאי ויכול לשנות באופן משמעותי את התגובה של הרכב לשלוט קלטות. בדומה, כוחות לחות מתנגדים תנועה והם נגזרים מסטיות נוזל לחץ ולחצים. Accurate CFD סימולציות הוסיף קומפלקסים המוניטריים וגזרות לחות, אשר משמשים במודלים דינמיים עבור מודלים עיצוב.

שימוש ב- ANSYS Fluent for Hydroדינמית Simulation

ASYS Fluent הוא כלי CFD בוגר, מוכח בתעשייה המציע יכולות חזקות עבור סימולציות זרימה בלתי צפויות ומטרידות טורחות.עבור הידרודינמיקה של AUV, מהנדסים בדרך כלל מעסיקים את המפת המבוססת על הלחץ עם המשוואות Nvier-Stokes (RANS) משוואות.הסעיפים הבאים מכנים את השלבים והשיקולים העיקריים.

הכנת הגיאומטריה ו-Mesh Generation

התהליך מתחיל עם מודל מוצק של AUV, לעתים קרובות נוצר בתוכנות CAD כגון SolidWorks או CATIA. הגיאומטריה חייבת להיות נקייה ומותק.תכונות מורכבות כמו דחיפים, נמלי חיישן, ו ירידות כבל כלולים או פשוט בהתאם למטרות הסימולציה.המודל ייבא באופן משמעותי לתוך קיר אנמטרי או כלי ייעודי כמו Pointwise.

תנאים מורכבים ומסגרת הפניה

עבור סימולציות AUV, המכונית קבועה לעתים קרובות מנהרה רוח וירטואלית, עם מים זורמים בעבר במהירות הרצויה.מצב הגבול inlet מוגדר למהירות-inlet, בעוד בחוץ משתמש לחץ-outlet. Symmetry וגבולות קיר עשויים לשמש יעילות חישובית.כדי לדמות אפקטים עומק, לחץ הידרוסטטי ניתן לכלול.

מודל של טוריון

בחירת מודל הזעזוע הנכון הוא איזון בין דיוק לבין עלות חישובית.מודל k-epsilon משמש נרחב עבור האינטנסיביות שלו, אך עשוי להיות תחת הפרדה מוקדמת.המודל k-omega SST (Shear Stress Transport) הוא בחירה פופולרית עבור אווירודינמיקה חיצונית הידרודינמיקה ו הידרודינמיקה כי הוא משלב את הטוב ביותר של k-Oga ליד קירות k-epsilon בזרם החופשי של שפעת או לחץ חזק יותר.

הגדרות Solver ו- Convergence

באמצעות פתרון מבוסס הלחץ עם SIMPLE או SIMPLEC עבור ניתוח מצב יציב הוא נפוץ.עבור ניתוח transient (למשל, תמרון או vortex לשפוך לשפוך), תוכנית PISO ואת השני הזמנה זמן אימפולסי זמן ניתוק הם מומלץ. Convergence הוא מעקב באמצעות שאריות ומעלה / כוחות רכיוט בדרך כלל, שאריות צריך לרדת על ידי שלוש פקודות של גודל, כוח ייצוב יכול להאיץ את הפחתתו של התאמות ראשוני (ת) עם גורמי הדבקה ראשונית יכול להאיץ את הפחתת לחץ דם מורכב.

תוצאות Simulation

ברגע שפתרון מתכנס מתקבל, מהנדסים מפיקים וניתוח עושר של נתונים.התפוקה המיידית ביותר הם הגרור ומרים coefficients. Streamlines, מזימות קוטור של לחץ ומהירות, וחלוקות חיכוך עור הפנים לחשוף את הטופולוגיה של הזרם.בועות הפרדה, נקודות הפחתה מחדש, ו- מערבולת ליבות מזוהות באמצעות Q-criterion או ella2 תכונות אלה ישירות השפעה, לדוגמה, לחץ דם יכול לגרום ללחץ חזותי.

(FLT:0) התפלגות העיתונות: פיזור 1:1 אזורי דיכוי גבוהים על הקשת ואזורים בלחץ נמוך על הסיפון או stern ליצור גרור נטו.הפחתת ההפרש הלחץ על ידי עיצוב הקשת אלבפסיה מבורכת יותר או conoid להפחית את הלחץ גרור באופן דומה, פסגות סנקציות על פי סנפירים ניתן להפחית על ידי התאמת זווית של התקפה או באמצעות סימטרית חלקים.

(FLT:0) וקטורים ו Boundary Layer:FLT ( 1:1 Near-קיר מהיר פרופילים מראים אם שכבת הגבול היא laminar, מעבר, או זעזוע.החיזוי מעבר עוזר להחליט טיפולים גסים פני השטח - שכבת גבול סוערת היא יותר עמידת להפרדה, אך מגבירה סימולציות של RANS עם מודלים (למשל, gma- gam) יכולות להגיע ל- gam- ⁇ .

(FLT:0)Vortex Shedding:FreaLT:1 ; For AUVs עם גופים bluff - כגון אלה עם cylindrical Midsections או חיישנים בולטים - vultexing תקופתי יכול לגרום לכוחות בלתי יציבים ודרציה.ניתוח תדירות באמצעות שינוי מהיר (FFT) של כוחות מזהה את התדרים השופכים אם זה עלול להוסיף צורות מזיקות, או שינוי טבעי, יכול להוסיף.

אסטרטגיות אופטימיזציה הידרודינמיות

לאחר זיהוי אזורי בעיה, מהנדסים יכולים להציע שינויים עיצוב.הגישה הנפוצה ביותר היא אופטימיזציה של ה-hull. Dropping את ה-Gar coefficient על ידי 10-20% היא אפשרית על ידי התאמת יחס אורך-ל-דממה, פרופיל האף, ו-Teler. ANSYS Fluent ניתן למזג עם כלים אופטימיזציה כגון DesignXplorer או OptiangSL ללימודים מותאמים אוטומטית.

המונחים: Hull Forms

צורת הטורפדו הסטנדרטית (פרופיל המינג) היא נקודת התחלה טובה, אך מודרני AUVs לעתים קרובות לשאת חלקים של מטען מודולריים משנהיים חלקת.שימוש בגוף כנף ממוזג או צורה אסימטרית יכול להכיל חיישנים תוך שמירה על זרימת laminar על פני אזורים גדולים. השוואות CFD של וריאנטים מרובים של hull להנחות את הבחירה של פשרה הטובה ביותר בין נפח פנימי ויעילות הידרודינמיקה.

שליטה על Surface Optimization

Fins ו- rudders חייבים לספק סמכות שליטה נאותה ללא גרור יתר. אופטימיזציה של הקטע שלהם (NACA או פרופילים laminar), זווית גורפת, ויחס היבט להפחית סימולציות של הרכב המלא בזווית שונות של התקפה לייצר כוח ורגע נתונים כי מפולסים מודל רכב.

ציוד זרימה

מכשירים כגון סטריקס, גנרטורים מערבים, או דיסלקטים ניתן להעריך במהירות באמצעות סימולציה.לדוגמה, strakes לטווח ארוך על השאול עשויים להפחית את הגרור מאוחר יותר ולשפר יציבות כיוון.הוספת fin קטן זנב יכול לדכא vortexding. סימולציות מרובותphase עשוי גם לשקול vulbrication או supercavitation עבור יישומים במהירות גבוהה, אם כי אלה מתקדמים יותר.

מחקרים ומחקר דוגמאות

קבוצות מחקר רבות פרסמו תוצאות מ-CDC-based AUV hydroדינמיקהs. מחקר בולט מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) השתמש ב- ANSYS Fluent עם מודל C-omega SST כדי לייעל את ה-Odydy IVV של אודיסיאה, השגת ירידה של 15% ב-Garto-Dipts-Dipto-Dips, בהתאמה טובה עם בדיקות טנקיות, אימות הגישה השנייה מאוניברסיטת טוקיו, תוך כדי הדמיה של דגם סימולציה יקר סביב ה-Fglitextextexatedexatedexerdexitrto-Flowed ו-Ferto-Ferto-Ferto-F.

(ב) לאלו המעוניינים בפרטים טכניים עמוקים יותר, האגודה האמריקנית למהנדסים מכניים (ASME) מפרסם מספר מאמרים ב- AUV הידרודינמיקה.A חיפוש ב-FLT:0ASME Digital CollectionFLT:1 עבור "הפחתה של כלי רכב תת-ימיים" מניב תוצאות רלוונטיות.

מגמות מתפתחות ב- Hydrodynamic Simulation

השדה מתפתח במהירות. Machine Learning (ML) משולב עם CFD כדי ליצור מודלים חלופיים המצפים לגרור מפרמטרים צורה באופן מיידי.מודלים אלה מאומן על תוצאות פלורנט נאמנות גבוהה ומאפשרים חקר חלל עיצוב בזמן אמת, מגמה נוספת היא אינטראקציה מבנית נוזלית (FSI), שבו ה-hull deforms תחת עומסי הידרודינמיקה.

זרימת Multiphase גם צובר תשומת לב - סימולטור ההשפעה של בועות מן cavitation או גל אינטראקציה ליד פני השטח. עבור מים רדודים-מים AUVs כי חייב לפעול ליד פני השטח החופשי, כוחות מושרה גל ועומסים מתפתל ניתן לנתח באמצעות נפח של נוזל (VOF) מודלים סימולציה אמיתית האוקיינוס כגון stratification צפיפות, ⁇ טמפרטורה, ואפקטים סליציפיים יכול להיות הכלולים על ידי לאפשר מינים מתקדמים של תאים מתקדמים.

מסקנה

ניתוח הידרודינמי הוא חלק חיוני בעיצוב כלי רכב תת-קרקעיים בעלי ביצועים גבוהים לחיפוש באוקיינוס.על ידי מינוף יכולות CFD המקיף של Fluent, מהנדסים מקבלים תובנות עמוקות לתוך גרור, יציבות ותופעות זרימה ששולטות בהתנהגות של AUV.מכיוון גיאומטריה ראשונית כדי לענות על שיטות הפיכה מפורטות של מבנים פלנטרית עמוקה יותר, הסימולציה העבודה מאפשרת סימולציה מהירה של נתונים שאפתניים ואופטימיזציה מונעים על ידי אופטימיזציה של משאבי מדעים יותר ויותר, והם יכולים לשפר את תפקיד מרכזי יותר ויותר, רק כדי לפתח יותר ויותר, מאשר פיתוח כדור הארץ, מאשר פיתוח יעיל יותר ויותר, מאשר פיתוח יעיל יותר ויותר, מאשר פיתוח יעיל יותר ויותר, מאשר פיתוח של מערכות זמן רב יותר ויותר, מאשר פיתוח של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות יחסים מתקדמים יותר ויותר גבוה יותר ויותר, מאשר פיתוח של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של