רובוטים תת-ימיים - כלי רכב תת-ימיים (AUVs), כלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs), וגליצרי האוקיינוס - הפכו הכרחיים לחיפוש עמוק במים, ניטור סביבתי, פיקוח צינורות ופעולות הגנה. הביצועים שלהם מתפתלים ביקורתיות על הידרודינמיקה: אפילו הפחתה צנועה בגרור יכולות להרחיב באופן דרמטי את משך הזמן, שיפור יכולת תמרון, וצריכת אנרגיה נמוכה יותר.

שכבת הגבול אינה רק סקרנות אקדמית; היא מושבו של גרר, העברת חום והפרדה זרימה.עבור רכב מעוות במהירויות אופייניות של 1-5 קשרים, עובי הגבול עשוי לנוע בין כמה מ"מ למספר סנטימטרים, אך התנהגותו מכתיבת את ההתפלגות הלחץ הכוללת וכוחות החיכוך היעילים של שכבת זה יכול לעכב ממין לכדי הפרדה, לזרימת את הטכניקות הבסיסיות יותר, ולצמצם את הטמפרטורות הגבוהות יותר, ולצמצם את המידות של כלי רכביחותם של שליטה.

יסודות של שכבות Boundary Layers

הרעיון של שכבת הגבול היה הראשון פורמאלי על ידי לודוויג Prandtl בשנת 1904.כאשר נוזל מולקווס זורם על פני משטח מוצק, FLT:0no-slipמצבphalFLT:1 מכריח את המהירות הנוזלית להיות אפס על הקיר.בתוך שכבה דקה ליד פני השטח, מהירות עלייה מאפס עד הערך החופשי של זרם.

שכבות כבדות יכולות להתקיים בשתי משטרים עיקריים: FLT:0laminarph:1 ו-FLT:2turbulentph 3 (עמיד שכבת גבול laminar), חלקיקים נוזל לנוע בשכבות חלקות, מקבילות עם תערובת מינימלית של נוזל, לעתים קרובות יותר לחץ דם מופרך, וחיכוך עור הוא נמוך יחסית.

תופעה קריטית נוספת היא:0. [0] הפרדת זרימה של זרימה: 1 [0], המתרחשת כאשר שכבת הגבול מחלחלת מן השטח, יצירת התעוררות של נוזל רפלקציה.הפרדה מגדילה באופן דרמטי את הלחץ (לשעבר גרור) ויכולה לגרום לאובדן יעילות של משטחים שליטה.עבור רובוטים מתחת למים, הפרדה מתרחשת לעתים קרובות סביב האף, במעברים חדים, או על גוף הפט.

כדי לנתח את ההשפעות הללו, מהנדסים מסתמכים על מספר ריינולדס (FLT:0rea ReFLT:1), היחס של חוסר הכרה לכוחות מולקווס (עבור אורך ממוצע של 1 מ' נסיעה ב 2 מ'/s במים, ;2ReFLT:2ReFLT 3: 2 × 106 - ⁇ - לעומת זאת, רובוטים רבים פועלים במהירויות נמוכות יותר של ×5 ליטרים (Fer) על פני השטח הוא 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

טכניקת בקרת שכבות

שליטה בשכבת הגבול כדי להפחית את הסגידה והעיכובה היא תחום עשיר של מחקר במשך עשרות שנים, בהשראת שתי הדוגמאות הטבעיות (למשל, עור כריש, דולפינים דקים) וחידושים אווירקליים.שיטות נופלות לשתי קטגוריות רחבות: FLT:0passiveFLT:1 ו-FLT:2activerLT 3, לא דורשות טכניקות אנרגיה חיצוניות ופשוטות, אלא יעילות, הן יכולות להטמיעו, אך ורק להטמיעו, ולפתח שיטות ניהול יעיל יותר, ומורכבות של כוח אמיתי.

שליטה פסיבית: Surface Modifications and Coatings

השיטה הפסיבית הפשוטה ביותר היא להבטיח שהמשטח חלק ככל האפשר.עבור רובוטים תת-ימיים, זה אומר חיסול פרופורציות מהיר, עשבי שמנת, וחוד חדה.עם זאת, אפילו משטח חלק הידראולי עדיין יכול לחוות מעבר אם המספר ריינולדס הוא גבוה מספיק.הטקסט על פני השטח מתקדם מספיק.

(ב) [ה]:0] ציפויים סופר-יופוביים (Superhydrophobicציפוי: [=0] הם גישה פסיבית נוספת.הציפויים האלה מלוכדים שכבת אוויר דקת על פני השטח, ומאפשרים למים להחליק בעבר עם לחץ מופחת של גרורתי של 20-30% דווחו במהירויות רחבות היקף מעבדה, אך שמירה על שכבת האוויר במשימות בלחץ גבוה, ארוכות טווח, עדיין לא ניתן היה מאתגר.

ביקורת מקצועית: Real-Time Manipulation

(התקני בקרת שכבת גבול פעילים משתמשים בממריצים כדי להזריק מומנטום לאזור הסמוך או לשנות את הלחץ ⁇ .הטכניקות הנפוצות ביותר כוללות את FLT:0suctionFLT:1, אשר מסיר נוזל נמוך-מומנטום משכבת הגבול, שמירה על זה המצורף יותר; FLT:2blowingFLTm 3, אשר מוסיף גבוה-momentum; ו-Fsynic במיוחד לייצר חשמל זעיר ללא חשמל LT5 מחוספס;

(FLT:0)Plasma ActuatorsFLT:1hil נחקר עבור יישומים אווירודינמיים והם מתחילים למצוא את התווך בהקשרים ימיים.המכשירים האלה משתמשים בשחרור מכשול דיאלקטרי כדי ליצור כוח גוף המזרז את הנוזל ליד הקיר.למרות שהאפקט צנוע במים עקב צפיפות גבוהה יותר ותפקוד חשמלי, ניסויים אחרונים מראים כי פועל פלזמה יכול לעכב את השכבות על מינרלים במספרים המתונים (Ricerdulergtens) של 2.

התפתחות מבטיחה במיוחד היא השימוש של FLT:0 מפיצים מערךים של חיישנים ו- ActuatorsFLT:1 - "עור חכם" עבור הרובוט.על ידי מדידה של חיכוך עור, לחץ או מהירות ליד הקיר, אלגוריתם בקרה יכול להתאים את המתאמים (למשל, מיקרו-jets או התנגשויות) כדי לשמור על זרימה או דיכוי מפוצצים במערכות קשות יותר, אך הם מותאמים בהדרגה לפתרונות חזקים יותר, אך הם עמידים, אך הם עמידים יותר, אך ורק לערימים, אשר ניתן לערימים, אך ורק לערעור, הם עמידים, הם, אך ורק לערימים, הם, הם, הם, הם, הם, הם עמידים יותר, אשר ניתן לערימים יותר, הם, אשר ניתן לערימים יותר, אך ורק לערעור, אשר ניתן לערעור, אך ורק לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אך ורק יותר, אשר ניתן לערעור, באופן הדרגתי, מערכות רגישות, אך ורק לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אשר ניתן לערעור, אך ורק יותר, אך

לקריאה נוספת, ניתן למצוא סקירה מקיפה של טכניקות בקרת שכבת גבול ב-FLT:0Gad-el-Hak (2000), "שליטה נמוכה: מעבר, פעיל, וניהול זרימה תגובתי" (Ractive Flow Management) Reactive Flow Management) Reactive FLT:1.

השפעה על עיצוב רובוט תת-קרקעי

שילוב עקרונות שכבת גבול בעיצוב של רובוטים תת-ימיים הולך מעבר לטיפולים על פני השטח.זה משפיע על הצורה הכוללת, המיקום של דחף וחיישנים, ושילוב של משטחי בקרה. תהליך עיצוב רציונלי מתחיל עם דינמיקות נוזליות חישוביות (CFD) אשר פותרים את שכבת הגבול וחיזוי הפרדה וגרור.כלי CFD מודרניים יכולים מודל הן זרימה יציבה ולא יציבה, ומאפשר אופטימיזציה הדרגתית לפני כל חומרה בנוי.

המונחים: shape Optimization

צורת הסגידה הנמוכה הקלאסית לרכב תת-קרקעי היא AFLT:0 (teardropphFillo 1:2; 2) שלביקור hullveFLT 3, אשר יש לו פטי ארוך ועדין לעיכוב הפרדה.עם זאת, עבור פלטפורמות רובוטיות רבות - במיוחד אלה שצריכים לרחף או לתמרן במהירות נמוכה - קונבנציונלית לצורה לא-מחוקנית, במקום להשתמש בתאים למחזור (הלחץ שלילי) ולחזק את ה-לחוץ על מנת להזיז את ה-הלחץ על מנת לתאים (הלחץ).

אחת המגמות המתעוררות היא השימוש ב-FLT:0 [bo-inspiredצורות של השראה:0] צורות בהשראת צורות של גלן 1 – לדוגמה, גוף טונה או דולפין.חיות אלה התפתחו פרופילים נמוכים של נקבות אשר שומרים על זרימה מחוברת גם במהלך האצה מהירה.רובוטים ביומימיים כמו "GhostSwimmer" שפותחה על ידי חיל הים האמריקאי, וקבוצת הגבול עוזר לספוגה על ידי גיאומטריה קטנה (Fback) ו-Fback.

שיקול עיצוב נוסף הוא שילוב של זרם נפרד:0 (המכונים "הפניות" ו"הנעים" (AfLT: 1) דחף מוכוון גרוע - במיוחד סמוך לאזור של זרימה נפרדת - יכול לגרום לאובדן יעילות חמור ודרציה.

אפשרויות ל-Plats and Materials Selection

מעבר לחליצות פשוטות, (FLT:0) נמוך-friction ציפויים FLT ( 1:1) מפותחים כי לא רק להפחית את חיכוך העור, אלא גם מעכב באופן פעיל ביופוציית - בעיה גדולה עבור משימות ארוכות טווח. 3.10 מעלות עלייה פני השטח באופן דרמטי, נסיעה בשכבה הגבול כדי להתנגשות ולהוסיף ציפויים היברידיים המשלבים שכבת superhydrophobic עם אנזימים פעילים (למשל אנזימים) ב-Fgicergicergicercerams (למשל, לדוגמה) של אנזימים (במטר (במטרה) אנזימים).

עיצוב CD-Driven Iterative Design

לולאה עיצובית טיפוסית עבור רובוט תת-ימי עכשיו כרוך:

  • פיזור צורת ה-hull (למשל, באמצעות עקומות מעיקור או B-splines).
  • ריצה RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) או DES (Detached Eddy Simulation) סימולציות כדי לגרור, להרים, ורגע יעיל כמו פונקציות של מהירות וזווית של התקפה.
  • הערכת תכונות שכבת גבול - כגון עובי עקירה וגורם צורה - לזהות אזורים הנטו להיפרדות.
  • שינוי צורה, הוספת טיפולים על פני השטח, או הצגת מיקומים בקרה פעילים בהתאם.
  • אימות עם מנהרה רוח או הובלת ניסויים טנק (למשל, באמצעות תמונת חלקיקים velocimetry כדי לדמיין את שכבת הגבול).

כלים CFD עצמם הופכים משולבים יותר עם למידת מכונה, המאפשר אופטימיזציה אוטומטית צורה כי ישירות מטרות בריאות שכבת גבול.מספר קוד פתוח ופתרון מסחרי (למשל, OpenFOAM, ANSYS Fluent) מציעים מסגרת השכבה הגבול עם מודלים שונים של זעזועים - הבחירה של אשר (למשל, FLT:0k- ⁇ SSTFLTsal Sense for Separation) היא דיוק קריטי.

מחקרים ב-Black Robot hydroדינמיתs

Ocean Gliders: Maximizing Range at Low Speed

גליצרים של האוקיינוס כגון Slocum, Spray, ו Seaglider מסתמכים על שינויים בכבדות לנוע אנכית ועל כנפיים קטנות כדי להמיר את התנועה האנכית הזאת במהירות קדימה (בדרך כלל 0.25–0.5 מ'/s) בקבוצות נמוכות אלה של ריינולדס (FLT:0) דיווחו על סך של 105–3x105), השכבה לעתים קרובות היא גבוהה על פני הרבה כנפיים ו- 60 ליטרים משמעותיים של גרורות.

Torpedo-Shaped AUVs: Speed and Maneuverability

במהירות גבוהה AUVs (למשל, Bluefin 21 או HUGIN סדרה) לפעול 2-4 מ ' / 2, שבו שכבת הגבול היא מטרידה לחלוטין.כאן, רכיב הגרור הדומיננטי הוא לעתים קרובות שילוב של חיכוך עור ולחץ גורר מהגוף aft. Active Control טכניקות - במיוחד סניינטים מחובר רק הזרם של הזנב - נחקר כדי להפחית את הלחץ על ידי גרורת לחץ גבוה של 20% (ULD) בדיקות אווירומטר) של CRED.

רובוטים ביומטיים: ללמוד מהטבע

רובוטים כמו ה-FLT:0 (RobotunaFLT) ו-FLT:2Manta DroidFLT 3: 3) משתמשים ב-FLTs או פיזור גוף למניעה.במקרים אלה, שכבת הגבול אינה יציבה ושלושה ממדים, עם הפרדה תקופתית וחיזוק הגבול הופכת חיונית עבור הדור היעיל של קבוצות קטנות (D) להפחתה של שבץ מוחיות על פני השטח התחתון של שבץ, למשל, להפחתה של תאים קטנים (D) בדרגה של שבץ, למשל, כדי להפחית את גודל של תאים קטנים של שבץ (D) בדרגה של תאים קטנים של שבץ (D) של שבץ, למשל, על פני השטח) של שבץ, על פני השטח).

לקריאה נוספת על הידרודינמיקה ביומטית, ראה מחקר זה על משטחים בהשראת עור כריש החל כלי רכב תת-ימיים.

אתגרים ושיקולים

בעוד היתרונות הפוטנציאליים של בקרת שכבת גבול ברורים, יישום טכניקות אלה על רובוטים תת-ימיים אמיתיים מציג כמה אתגרים מעשיים. ראשית, הסביבה הימית היא קשה: לחץ הידרוסטטי גבוה, זעזועים ביולוגיים, וקורוזיה יכול לקלקל חיישנים ומבצעים. מטוס סינתטי או קרב יכול להיות מוצף עם סימנטציה; ציפוי על-ידי מצופה יכול להרוס תחת לחץ; aMS יכול להיות מבודד, אם אתה יכול להיות מחדר החיסרון מים.

שנית, עלות האנרגיה של שליטה פעילה יש לשקול נגד החיסכון.לדוגמה, מיצוי יכול להפחית את גרגור, אבל משאבות דורשות כוח.רווח נטו עשוי להיות חיובי רק בתנאי הפעלה ספציפיים.עבור AUVs קטנים עם יכולת סוללה מוגבלת, טכניקות פסיביות לעתים קרובות מציעים סחר כוח טוב יותר.עם זאת, כמו סוללות שיפור וטייסים כוח נמוך (למשל, סילון סינתטי) בוגר, הופך פעיל יותר שליטה.

שלישית, זרימת סביב רובוט תת-ימי היא לעתים נדירות יציבה.שינויים במהירות, עומק (בשל וריאציות צפיפות), וזווית תמרון גורמים שכבת הגבול לעבור ולפריד בדרכים ארוכות-אווירה. אסטרטגיה של שליטה קבועה (למשל, החלת מיצוי בקצב קבוע) עשוי להיות תת-אופטימי.

כיוונים עתידיים

הגבול הבא לשליטה בשכבת הגבול ברובוטים מתחת למים שוכן ב-FLT:0 סגורה, מערכות מונעות נתונים FLT:1 אלגוריתמי למידת מכונות - במיוחד למידה עמוקה חיזוק - הם מאומנים בסימולציה כדי להחליט מתי ואיך לפעול סילון או משטח מורפיו בזמן אמת על בסיס מדידות זרימה מקומיות.

כיוון מרגש נוסף הוא (FLT:0) פני השטח של הרובוטיים מורפיות (FIRLT:1 ⁇ memory shape-memoryסגסוגת או פולימרים אלקטרואקטיביים, עור הרובוט יכול לשנות גסות או אפילו צורה (למשל, מדגימה או גובה riblet) בתגובה למהירות או לטמפרטורת מים.זה משלב את הכוח הנמוך של שיטות פסיביות עם גמישות של ניסויים מוקדמים במנהרות הראו כי ניתן לשנות באופן מיטבי של מספר דינמיקה של פני השטח.

לבסוף, ההתקדמות בסימולציה גבוהה של נאמנות ותאומים דיגיטליים (FLT:1) תאפשר למהנדסים לבחון אסטרטגיות בקרת שכבת גבול בתנאים מציאותיים, לא יציבים לפני הפריסה.על ידי ניצול ה-CD עם מודלים של מערכת מבנית ובקרה, תאום דיגיטלי של AUV יכול לשמש כדי לייעל את הרכב כולו - כולל ניהול שכבת הגבול שלה - למשימה מסוימת.

עבור צלילה עמוקה יותר לתוך מושגים עתידיים, המכון האמריקאי של Aeronautics ואסטרונאוטיקה (AIAA) פרסם מספר מאמרים טכניים על בקרת זרימה פעילה עבור כלי רכב תת-ימיים, כגון FLT:0 זה אחד על פועלי פלזמה עבור שליטה הפרדה על הידרופוחיות FLT:1.

מסקנה

תובנות שכבתיות דחוסות מציעות ערכת כלים רבת עוצמה לשיפור ה הידרודינמיקה של רובוטים תת-ימיים.מטיפולים פאסיביים כמו riblets וציפוי superhydrophobic במערכות פעילות עם חיישנים ומטוסים, טכניקות אלה יכולות להפחית את הגרור, לעכב הפרדה ולשפר את יכולת הפעולה של הפיזיקה המזערית של AUV Retegrating אותם לתוך תהליך העיצוב - באמצעות CFD, בדיקות מודל, ואופטימיזציה - מהנדסים ניתנים למניעה כדי ליצור כלי רכב מהירים יותר, אך יעילים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם תכונות יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם תכונות יעיל יותר, כמו גם של שליטה רובוטיות יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם שיטות בקרה יעילה יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם שיטות בקרה יעילה יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם שיטות בקרה יעילה יותר, כמו גם שיטות בקרה יעילה יותר, יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם