Динамика потока в проектировании подводных транспортных средств для глубоководных исследований

Кроме того, глубоководные транспортные средства часто должны работать вблизи пересеченной местности морского дна, где токи сложны и непредсказуемы. Способность поддерживать отношение и траекторию зависит от гидродинамической конструкции транспортного средства - его центра плавучести относительно центра массы, размещения поверхностей управления и взаимодействия двигателей со свободным потоком. Без глубокого понимания динамики потока инженеры рискуют построить транспортные средства, которые либо не могут достичь необходимой глубины, либо становятся нестабильными при попытке деликатных задач отбора проб. Короче говоря, освоение динамики потока является необходимым условием для безопасных, эффективных и способных глубоководных разведочных транспортных средств.

Ключевые концепции в динамике потока для глубоководных транспортных средств

Гидродинамический драг

Гидродинамическое сопротивление - это сумма вязкого трения и сопротивления (формы). Для типичного глубоководного погружного сопротивления доминирует на более низких скоростях, в то время как сопротивление формы становится более значительным при более высоких скоростях. Минимизация полного сопротивления достигается путем смешивания обтекаемых форм - часто капель или эллипсовидных корпусов - и с использованием гладких покрытий с низким трением. Коэффициент сопротивления (C_d ) является ключевой метрической величиной; значения ниже 0,1 считаются отличными для подводных транспортных средств. Однако глубоководные конструкции также должны учитывать добавленную массу - инерцию воды, которую транспортное средство ускоряет при движении. Добавленная масса может быть существенной в плотной морской воде и влияет на ускорение и маневренность, особенно при быстром изменении направления.

Распределение давления и структурная загрузка

На глубинах 4000 метров и выше доминирует гидростатическое давление. Динамика потока взаимодействует с этим режимом статического давления: по мере того, как вода течет вокруг корпуса, локальные изменения давления происходят из-за эффектов Бернулли - более быстрый поток на изогнутых поверхностях снижает местное давление, в то время как более медленный поток увеличивает его. Эти перепады давления создают чистые силы и моменты. Для глубоководного транспортного средства корпус должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать как атмосферное статическое давление, так и колебания динамического давления. Сферические корпуса являются общими для пилотируемых погружных аппаратов, потому что они распределяют давление равномерно, но их гидродинамическая эффективность плоха. Современные конструкции часто используют цилиндрические корпуса с полусферическими концами, сочетая структурную прочность с умеренным сопротивлением. Инженеры используют CFD для отображения распределения давления и обеспечения того, чтобы ни одна область не превышала прочность выхода материала, особенно вокруг окон, двигателей и проникновений датчиков.

Ламинар против турбулентного потока и разделения пограничного слоя

Природа пограничного слоя — ламинарного или турбулентного — сильно влияет на перетаскивание и теплообмен. При низких числах Рейнольдса (типичных для небольших ROV или планеров) ламинарный поток может сохраняться на большей части корпуса, уменьшая трение кожи. Однако ламинарный поток нестабилен и быстро переходит в турбулентность с любой неровностью поверхности или движением. Для более крупных транспортных средств, работающих на более высоких скоростях (3-6 узлов), турбулентное разделение границ неизбежны. Ключевой проблемой является пограничное разделение слоев , которое возникает, когда неблагоприятные градиенты давления заставляют поток отсоединяться от корпуса, создавая будку, которая резко увеличивает перетаскивание давления. Дизайнеры контролируют разделение, формируя кормовое тело для поддержания благоприятного градиента давления (например, постепенно сужают хвост). Активные методы, такие как генераторы вихрей или небольшие поверхностные бугорки (ямочки) также могут задерживать разделение.

кавитация

Кавитация — образование пузырьков пара, когда местное давление падает ниже давления пара воды — представляет собой риск на кончиках винта и на острых поверхностях управления. В то время как более распространенные в поверхностных винтах, глубоководные транспортные средства могут испытывать кавитацию во время быстрых маневров или при работе вблизи поверхности. Кавитация вызывает шум, вибрацию и эрозию поверхности. В глубоководных конструкциях число кавитации поддерживается высоким за счет ограничения скоростей наконечника и использования профилей лопастей, которые равномерно распределяют давление. Для транспортных средств, управляемых винтом, часто используются воздуховодные двигатели (сопла Корта) для повышения эффективности и задержки кавитации на глубине.

Вихревое сбрасывание и динамика пробуждения

Поскольку вода течет мимо тупого тела (например, рамы ROV или сенсорного стручка), чередующиеся вихри могут быть пролиты на улице вихря Кармана. Это вызывает переменные силы подъема, которые могут вызвать колебание транспортного средства - явление, известное как вихревые вибрации (VIV). Для глубоководных привязных транспортных средств VIV может утомлять кабели и нарушать полезную нагрузку. Стратегии смягчения включают оптимизацию всех выпуклостей, добавление страйков или обтекателей и разработку геометрии транспортного средства для разрушения крупномасштабных вихрей на более мелкие, менее вредные структуры. Понимание динамики пробуждения также имеет решающее значение для операций с близкой близостью, например, когда два ROV работают вместе или когда транспортное средство приближается к корзине образцов.

Стратегии проектирования, включающие динамику потока

Вычислительная динамика жидкости (CFD) в петле проектирования

Современный дизайн подводных аппаратов в значительной степени опирается на моделирование CFD для прогнозирования моделей потока, оценки сопротивления и оценки стабильности до того, как будет построен любой физический прототип. Решители с высокой точностью Reynolds-Avered Navier-Stokes (RANS) могут моделировать турбулентный поток вокруг сложных геометрий корпуса, включая двигатели и придатки. Инженеры используют CFD для оптимизации форм корпуса для конкретных рабочих скоростей, регулируя параметры, такие как отношение длины к диаметру (L / D) и форма носа и хвоста. Наиболее эффективные формы часто возникают из итеративной оптимизации: тысячи вариантов дизайна оцениваются в силикате до завершения. В последние годы в отрасли стандартными стали коды с открытым исходным кодом, такие как OpenFOAM и коммерческие инструменты, такие как ANSYS Fluent. Внешняя проверка данных испытаний резервуара остается необходимой, но CFD резко сократил количество требуемых физических моделей.

Экспериментальные методы: буксировочные танки и камеры давления

Даже при сложных CFD физические испытания остаются критическими. Буксирные баки имитируют прямолинейное движение и позволяют точно измерять модели сопротивления, момента шага и пробуждения. Для глубоководных транспортных средств масштабированные модели (обычно 1:2 или 1:4) тестируются на номерах Рейнольдса, которые соответствуют полномасштабному транспортному средству с использованием более высоких скоростей воды или более низкой кинематической вязкости (например, с использованием подогретой воды). Некоторые объекты включают камеры давления для проверки гидродинамических характеристик при моделируемых условиях глубины до 6000 метров. Бассейн модели ВМС США Дэвида Тейлора и испытательные объекты Национального океанографического центра в Великобритании являются примерами ресурсов мирового класса, используемых для разработки глубоководных транспортных средств.

Оптимизация формы корпуса: биомимикрия и формы Teardrop

Наиболее эффективные корпуса подводных транспортных средств приближены к форме быстро плавающего морского животного - удлиненный, с закругленным носом и коническим хвостом. Эта форма торпеды сводит к минимуму как сопротивление формы, так и турбулентность ствола. Биомиметические конструкции черпают вдохновение из тунца, дельфинов и даже пингвинов. Например, Deepsea Challenger (рекордный погружение Джеймса Кэмерона) использовал вертикально ориентированный корпус в форме плавника, чтобы объединить сопротивление давлению с вертикальной маневренностью. Более поздние автономные транспортные средства используют гладкие, обтекаемые тела без острых краев, интегрируя двигатели в корпус, чтобы избежать выступов, которые могут вызвать сопротивление или VIV. Многие глубоководные планеры используют фиксированные крылья на основе секций пневматической фольги для преобразования вертикального движения в тягу вперед, полагаясь на плавучесть изменений и осторожную гидродинамическую настройку для эффективности.