施興華， 賁青青， 張 婧， 錢佶麒

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

現(xiàn)階段，遙控?zé)o人潛水器(Remotely Operated Vehicle，ROV)已廣泛應(yīng)用于海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開采與勘探等諸多領(lǐng)域，ROV能適應(yīng)復(fù)雜的深海環(huán)境，作業(yè)穩(wěn)定、可靠。

ROV擁有異常復(fù)雜的水動(dòng)力特性和大量附體，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式難以保證水動(dòng)力系數(shù)的準(zhǔn)確性。水動(dòng)力系數(shù)可依據(jù)自航試驗(yàn)或約束試驗(yàn)計(jì)算，需要大量工作人員參與，資金需求大、周期長(zhǎng)。與試驗(yàn)法相比，數(shù)值模擬方法能在較短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試過(guò)程，時(shí)間和資金的消耗較少，并能保證數(shù)據(jù)的完整性，能針對(duì)多種實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的模擬，當(dāng)前工程領(lǐng)域已大規(guī)模引入CFD技術(shù)，避免采用試驗(yàn)方法在人力、資金和物力方面的過(guò)度消耗，能有效打破試驗(yàn)無(wú)法設(shè)置計(jì)算流場(chǎng)的問題。

WADI等[1]針對(duì)自主ROV展開研究，借助有限元分析軟件ANSYS-XFX識(shí)別附加慣性系數(shù)和阻尼力，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者基本吻合。ENG等[2]分別從ROV艏搖、縱蕩、垂蕩、橫蕩等4個(gè)自由度通過(guò)CFD方法得到附加質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果，并將ROV橫蕩自由度附加質(zhì)量的誤差控制在2%以內(nèi)。MUSCARI等[3]針對(duì)舵-螺旋槳-船體間相互作用進(jìn)行研究，基于同向舵升程法和流矯直系數(shù)進(jìn)行分析。卞子瑋[4]設(shè)計(jì)一種新型ROV結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加自由度的數(shù)量提高ROV水下運(yùn)動(dòng)的靈活性和觀測(cè)作業(yè)的實(shí)時(shí)性。于庚[5]針對(duì)ROV提出一種新的水動(dòng)力學(xué)模型，以ROV航速作為變量設(shè)置多組對(duì)比仿真試驗(yàn)，針對(duì)ROV結(jié)構(gòu)本體各自由度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力性能仿真計(jì)算，對(duì)比數(shù)值軟件仿真方法與理論計(jì)算方法，分析ROV的阻力性能，結(jié)果基本一致。許孟孟等[6]研究復(fù)雜外形ROV，當(dāng)ROV做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將回轉(zhuǎn)阻尼力/力矩作為輸入量，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力系數(shù)。王曉鳴等[7]針對(duì)一種小型ROV展開研究，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算螺旋槳的水動(dòng)力性能，分別模擬不同轉(zhuǎn)速螺旋槳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，借助多重參考系方法分析各狀態(tài)下的水動(dòng)力參數(shù)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。王太友等[8]采用CFD技術(shù)建立ROV模型，計(jì)算各種工況下ROV所承受的阻力以及不同漂角對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向力矩和橫向力，在考慮體積力模型的情況下計(jì)算螺旋槳流場(chǎng)狀況，從而更準(zhǔn)確地對(duì)ROV附近流場(chǎng)進(jìn)行模擬。邱鵬等[9]針對(duì)螺距比為1.0、搭載Ka4-70的19A導(dǎo)管進(jìn)行研究，采用CFD數(shù)值計(jì)算方法研究螺旋槳的淌水性能。袁帥等[10]考慮到螺旋槳保持斜流工況的船型有高速艇、拖網(wǎng)漁船、拖船等，針對(duì)不同斜流角的情形，計(jì)算對(duì)應(yīng)螺旋槳的水動(dòng)力性能。

本文借助STAR-CCM+軟件，采用數(shù)值計(jì)算的方法分別計(jì)算ROV的附加質(zhì)量、二階阻尼系數(shù)、線性阻尼系數(shù)等3項(xiàng)水動(dòng)力指標(biāo)；基于三維建模軟件SolidWorks對(duì)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行實(shí)體參數(shù)化建模，采用STAR-CCM+單獨(dú)分析導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能；通過(guò)迭代法和回歸曲線法得到在螺旋槳影響下ROV推力與阻力相等的航速點(diǎn)，完成螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下ROV航速的預(yù)報(bào)。

1 基于CFD的ROV水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算

1.1 研究方法

借助STAR-CCM+軟件，采用數(shù)值計(jì)算的方法得到ROV在縱蕩、艏搖和垂蕩等3個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)阻力，并分別計(jì)算附加質(zhì)量、二階阻尼系數(shù)、線性阻尼系數(shù)等3項(xiàng)水動(dòng)力指標(biāo)，最終得到ROV三自由度動(dòng)力學(xué)模型。

1.2 ROV動(dòng)力學(xué)方程

所研究的ROV由1個(gè)圓柱浮體、4個(gè)導(dǎo)管推進(jìn)器和1個(gè)起落架構(gòu)成，可控制升降和進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，采用對(duì)稱面螺旋槳的差速轉(zhuǎn)彎方式，能夠在水下實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度的轉(zhuǎn)向。根據(jù)導(dǎo)管螺旋槳的布置， ROV在靜水中可實(shí)現(xiàn)縱蕩、垂蕩、橫搖、艏搖。由于ROV在作業(yè)時(shí)幾乎不會(huì)進(jìn)行自主的橫搖運(yùn)動(dòng)，因此不討論在該自由度上的運(yùn)動(dòng)，僅對(duì)ROV在縱蕩、垂蕩和艏搖等3個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)建立動(dòng)力學(xué)模型。

ROV在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型可表示為

Mv′+C(v)v+D(v)v+g(η)+Δf=τpro

(1)

式中：M為ROV的慣性矩陣，由ROV的系統(tǒng)慣性矩陣MBR和附加質(zhì)量矩陣MA兩部分組成；v為ROV的速度矩陣；C(v)為由作用于ROV的向心力和科里奧利力組成的矩陣；D(v)為作用于ROV的水阻尼矩陣；g(η)為由ROV靜力生成的回復(fù)力向量；Δf為環(huán)境干擾力；τpro為ROV的推進(jìn)力矩陣。

考慮到在實(shí)際操作過(guò)程中ROV通常保持低速運(yùn)行，因此忽略科里奧利力的作用?？蓪OV三自由度運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化為

Mv′+D(v)v=τpro

(2)

1.3 ROV模型及網(wǎng)格劃分

目前，通用坐標(biāo)系規(guī)范由造船和輪機(jī)工程學(xué)會(huì)(SNAME)、國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)共同推薦，可用于描述ROV的運(yùn)動(dòng)和位置。構(gòu)建運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和固定坐標(biāo)系兩種右手坐標(biāo)系，如圖1所示。其中：運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于ROV的重心位置；固定坐標(biāo)系原點(diǎn)E為ROV運(yùn)動(dòng)空間的任意一點(diǎn)。

注：x、y、z和u、v、w分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩方向上的位移和速度；p、q、r和k、m、n分別為橫搖、縱搖、艏搖方向上的轉(zhuǎn)角和角速度圖1 ROV空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

對(duì)全流域網(wǎng)格的基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行調(diào)整，劃分出數(shù)量不一致的3套網(wǎng)格，以滿足對(duì)網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證的要求。網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸的設(shè)置和網(wǎng)格數(shù)目如表1所示。

表1 ROV網(wǎng)格收斂性檢查表

以進(jìn)口速度為0.514 m/s對(duì)劃分3套網(wǎng)格的ROV分別進(jìn)行直航阻力的數(shù)值分析。圖2為3套網(wǎng)格下的迭代步數(shù)與阻力曲線的對(duì)比。由圖2可知，當(dāng)3套網(wǎng)格迭代至250步時(shí)，曲線均趨于平穩(wěn)，而后小幅振蕩。由運(yùn)算結(jié)果可知，在迭代300步后，后2套網(wǎng)格的阻力相差不超過(guò)0.2 N。過(guò)多的網(wǎng)格會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。綜合考慮上述因素，第1.4節(jié)所有工況均采用網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為450 mm的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。圖3為ROV網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2 3套網(wǎng)格迭代步數(shù)與阻力對(duì)比曲線

圖3 ROV網(wǎng)格劃分

1.4 三自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下ROV阻尼數(shù)值計(jì)算

在縱蕩前進(jìn)和垂蕩下潛運(yùn)動(dòng)模式下設(shè)置計(jì)算域入口速度為0.2～2.0 kn，間隔為0.2 kn，共設(shè)置10種不同的運(yùn)動(dòng)速度。在艏搖運(yùn)動(dòng)模式下先設(shè)置ROV的旋轉(zhuǎn)角速度為0.1～1.0 rad/s、間隔為0.1 rad/s，而后轉(zhuǎn)為1.0～2.0 rad/s、間隔為0.2 rad/s，共設(shè)置15種不同的角速度。計(jì)算得到ROV縱蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻尼力和艏搖運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻尼力矩，擬合速度與阻尼力以及角速度與阻尼力矩的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 ROV阻尼力與阻尼力矩?cái)M合曲線

由此得到ROV三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)所受阻尼力和阻尼力矩的二階擬合函數(shù)，表2給出對(duì)應(yīng)的二階阻尼系數(shù)和線性阻尼系數(shù)。由表2可知，ROV所受阻尼主要為二階阻尼項(xiàng)，基本不考慮線性阻尼項(xiàng)的影響。

表2 阻尼力和力矩多項(xiàng)式擬合結(jié)果

1.5 ROV附加質(zhì)量數(shù)值計(jì)算

1.5.1 計(jì)算方法及可行性驗(yàn)證

計(jì)算ROV附加質(zhì)量的方法是一種基于STAR-CCM+的簡(jiǎn)便的數(shù)值模擬計(jì)算：首先模擬ROV在勻速流場(chǎng)下的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算得到其所受到的阻力和阻力矩；接著通過(guò)自定義場(chǎng)函數(shù)的方法模擬ROV的勻加速平移和轉(zhuǎn)動(dòng)；最后計(jì)算得到ROV的附加質(zhì)量Ma,h和附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Mα,r。

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Fa和Mα分別為物體在勻加速平移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力和阻力矩；F和M分別為物體在勻速平移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的阻力和阻力矩；a為加速度；α為角加速度。

對(duì)一個(gè)半徑R=0.2 m的圓球進(jìn)行數(shù)值仿真，用軟件模擬圓球作勻速運(yùn)動(dòng)和勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，求解圓球的附加質(zhì)量，并與理論值進(jìn)行比較。

將圓球的球心固定于坐標(biāo)原點(diǎn)，3.2 m邊長(zhǎng)的正方形作為計(jì)算域，對(duì)中心邊長(zhǎng)為0.6 m的正方體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格的設(shè)置參照ROV直航阻力時(shí)的設(shè)置。物理模型采用隱式不定常和k-ω湍流模型。勻速運(yùn)動(dòng)速度取1 m/s，勻加速運(yùn)動(dòng)初速度取1 m/s、加速度取1 m/s2。在求解器中，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，時(shí)間離散方式設(shè)置為一階離散。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 圓球阻力曲線

由圖5可知，計(jì)算結(jié)果可以很快平穩(wěn)收斂，在初速度為1 m/s的條件下，迭代至物理時(shí)間0.025 s后阻力趨于穩(wěn)定，并且能夠持續(xù)穩(wěn)定。勻速運(yùn)動(dòng)阻力為3.17 N，勻加速運(yùn)動(dòng)阻力為53.76 N， 附加質(zhì)量Ma,h=17.17 kg。根據(jù)勢(shì)流理論，球體的附加質(zhì)量理論值為16.71 kg。計(jì)算相對(duì)誤差為2.75%，所用方法計(jì)算精度良好，可用于計(jì)算ROV的附加質(zhì)量。

1.5.2 附加質(zhì)量計(jì)算結(jié)果分析

在平移運(yùn)動(dòng)中，設(shè)置ROV初速度為1.028 m/s、加速度為1 m/s2；在艏搖運(yùn)動(dòng)中，分別設(shè)置初轉(zhuǎn)速為2 rad/s、角加速度為1 rad/s2。在此基礎(chǔ)上求出ROV勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力(阻力矩)，結(jié)合勻速運(yùn)動(dòng)的阻力(阻力矩)，可得出ROV在三自由度上的附加質(zhì)量。圖6為ROV在三自由度上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力(阻力矩)隨時(shí)間變化的曲線。

圖6 ROV三自由度勻加速運(yùn)動(dòng)下阻力和阻力矩

2 導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力分析

2.1 研究方法

基于三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行螺旋槳實(shí)體參數(shù)化建模，并利用STAR-CCM+對(duì)單個(gè)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬，固定進(jìn)速，得出單個(gè)螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的推力、轉(zhuǎn)矩。在水下環(huán)境中，分析螺旋槳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)速和轉(zhuǎn)速與螺旋槳作業(yè)效率、轉(zhuǎn)矩、推力之間滿足的一般規(guī)律，繪制導(dǎo)管螺旋槳的特性曲線，完成ROV推進(jìn)器推力模型的建立。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法及物理模型選擇

對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行無(wú)因次化，這樣可使所得到的結(jié)果不受幾何尺寸的限制。具體計(jì)算式為

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中：KT為總推力因數(shù)；T為螺旋槳的總推力；ρ為流體密度；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；DP為直徑；KQ為轉(zhuǎn)矩因數(shù)；Q為轉(zhuǎn)矩；J為進(jìn)速因數(shù)；VA為螺旋槳的進(jìn)速。

將RANS方程設(shè)置為控制方程，并選擇SSTk-ω湍流模型。針對(duì)速度與壓力耦合方程的求解方法是SIMPLE算法，將控制方程轉(zhuǎn)換為二階壓力離散格式，設(shè)置收斂判據(jù)、最大分析步分別為10-3、5 000。

2.3 導(dǎo)管螺旋槳模型及網(wǎng)格劃分

為驗(yàn)證網(wǎng)格的收斂性，僅改變網(wǎng)格的基礎(chǔ)尺寸，再劃分2套尺寸不同的網(wǎng)格，對(duì)比固定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的推力以驗(yàn)證3套網(wǎng)格的收斂性，進(jìn)而選擇合適的網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格劃分尺寸如表3所示。

表3 導(dǎo)管螺旋槳網(wǎng)格收斂性檢查表

設(shè)置螺旋槳轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，對(duì)3套網(wǎng)格分別進(jìn)行推力數(shù)值分析，推力隨迭代步數(shù)變化曲線如圖7所示。由圖7可知，3套網(wǎng)格的計(jì)算曲線走勢(shì)一致，推力從一個(gè)極大值迅速下降，迭代至250步后都趨于穩(wěn)定。由運(yùn)算結(jié)果可知，3號(hào)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相對(duì)于1號(hào)和2號(hào)網(wǎng)格數(shù)據(jù)偏大，而1號(hào)網(wǎng)格與2號(hào)網(wǎng)格的計(jì)算數(shù)據(jù)幾乎沒有差別，因此網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸劃分至25 mm時(shí)計(jì)算精度已經(jīng)足夠?？紤]到計(jì)算精度和計(jì)算資源的限制，因此單獨(dú)的導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力分析均使用此網(wǎng)格尺寸劃分。圖8為導(dǎo)管螺旋槳體網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖7 3套網(wǎng)格推力隨迭代步數(shù)變化曲線

圖8 導(dǎo)管螺旋槳體網(wǎng)格劃分

2.4 螺旋槳水動(dòng)力結(jié)果分析

在進(jìn)行單個(gè)螺旋槳水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，設(shè)置ROV速度為1.028 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 500～4 500 r/min，每500 r/min遞增設(shè)置，計(jì)算得到螺旋槳產(chǎn)生的推力和轉(zhuǎn)矩。相關(guān)擬合曲線如圖9和圖10所示。

圖9 螺旋槳推力隨轉(zhuǎn)速變化擬合結(jié)果

圖10 螺旋槳轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化擬合結(jié)果

由圖9和圖10可知，螺旋槳轉(zhuǎn)矩和推力均正比于轉(zhuǎn)速平方，擬合度均超過(guò)0.999，表明仿真結(jié)果與螺旋槳轉(zhuǎn)矩和推力的實(shí)際變化情況基本一致，這從定性的角度說(shuō)明STAR-CCM+軟件對(duì)于螺旋槳推力及轉(zhuǎn)矩的水動(dòng)力數(shù)值模擬是可行且可靠的。

為了更好地對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力進(jìn)行探究，需要計(jì)算螺旋槳的效率。螺旋槳的效率η0與進(jìn)速因數(shù)J之間的關(guān)系式為

(8)

圖11為反映不同進(jìn)速因數(shù)下螺旋槳作業(yè)效率、轉(zhuǎn)矩因數(shù)和推力因數(shù)的變化情況的擬合曲線，由于轉(zhuǎn)矩因數(shù)數(shù)值較低，通常以10倍的數(shù)值大小表示。由圖11可知，轉(zhuǎn)矩因數(shù)和推力因數(shù)隨進(jìn)速因數(shù)的增大而降低，而效率則出現(xiàn)先上升后降低的變化趨勢(shì)。

圖11 螺旋槳水動(dòng)力特性曲線

3 螺旋槳對(duì)ROV水動(dòng)力的影響及ROV航速預(yù)報(bào)

在ROV的動(dòng)力匹配穩(wěn)態(tài)研究中，關(guān)鍵是找到螺旋槳在一定轉(zhuǎn)速下，ROV阻力與推力相等的點(diǎn)。對(duì)ROV的前進(jìn)直航運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，其他自由度的動(dòng)力匹配方式與之相同，便不再重復(fù)。

為研究2個(gè)螺旋槳互相之間對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，考慮到導(dǎo)管螺旋槳尺寸相對(duì)于ROV尺寸較小，探究在ROV影響下螺旋槳產(chǎn)生推力相較于單獨(dú)螺旋槳的推力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)水動(dòng)力的影響。設(shè)置導(dǎo)管螺旋槳轉(zhuǎn)速為2 000～4 500 r/min，每500 r/min遞增設(shè)置，計(jì)算ROV影響下導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的推力，并與單獨(dú)導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的推力進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。

由表4可知：在各轉(zhuǎn)速下，與單獨(dú)螺旋槳的推力之和相比，因ROV的存在，導(dǎo)管螺旋槳推力之和更大，二者的差值隨轉(zhuǎn)速的提高而增大，但是誤差并沒有隨之線性增加，相反，當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 時(shí)誤差反而減小。由于ROV和導(dǎo)管螺旋槳都是剛性體，受到對(duì)稱向前的推力，且導(dǎo)管螺旋槳尺寸相對(duì)于ROV較小，間距較大。因此，認(rèn)為2個(gè)對(duì)稱分布的導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的推力之和為ROV的總推力這種假設(shè)是可行的。

表4 各轉(zhuǎn)速下ROV對(duì)導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生推力影響

當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速為3 500 r/min(即航速為1.078 m/s)時(shí)計(jì)算出的推力誤差偏大，需要進(jìn)一步修正。

在預(yù)估的航速附近設(shè)置多個(gè)不同的航速點(diǎn)，通過(guò)回歸曲線多次迭代的方法找出阻力與推力相等的點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)航速預(yù)報(bào)。采用1.078 m/s的航速計(jì)算出的阻力偏小，因此設(shè)置航速為1.078～1.278 m/s，每0.02 m/s遞增，依次計(jì)算阻力。計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 不同航速下ROV受到的阻力

圖12為預(yù)設(shè)不同航速下ROV受到的阻力(設(shè)定阻力)與轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)螺旋槳推力(計(jì)算阻力)的差值擬合曲線，擬合度為0.98，擬合效果理想，擬合函數(shù)為y=16.7x-18.9。由擬合函數(shù)可知，推力與阻力相等時(shí)的航速點(diǎn)為1.13 m/s。

圖12 計(jì)算阻力與設(shè)定阻力差值隨航速變化擬合曲線

為驗(yàn)證回歸曲線法預(yù)估航速的準(zhǔn)確性，保持螺旋槳3 500 r/min轉(zhuǎn)速不變，設(shè)置航速為1.13 m/s，計(jì)算推力和阻力曲線如圖13所示。由圖13可知，當(dāng)ROV受到的推力與阻力穩(wěn)定在17.39 N，與ROV影響下螺旋槳推力17.46 N僅相差0.07 N，誤差小于1%，與之前4.9%的誤差相比有明顯的改善。

圖13 航速為1.13 m/s時(shí)ROV推力和阻力曲線

綜上所述，采用STAR-CCM+預(yù)報(bào)航速是可靠的。設(shè)置螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 500～4 500 r/min，以每500 r/min的速度遞增，通過(guò)上述回歸曲線的方法計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下的航速，并繪制ROV航速隨轉(zhuǎn)速變化的擬合曲線(見圖14)。由圖14可知，擬合函數(shù)為一次線性函數(shù)，表達(dá)式為y=3.23e-4·x，擬合效果理想。至此，實(shí)現(xiàn)了ROV在螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下的航速預(yù)報(bào)。

圖14 ROV航速隨轉(zhuǎn)速的擬合曲線

4 結(jié) 論

運(yùn)用商業(yè)軟件STAR-CCM+對(duì)ROV的3種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行水動(dòng)力分析，計(jì)算對(duì)應(yīng)的阻力(阻力矩)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到ROV三自由度二階阻尼系數(shù)、線性阻尼系數(shù)；運(yùn)用非定常技術(shù)計(jì)算ROV在自由度運(yùn)動(dòng)下的附加質(zhì)量；得到ROV三自由度動(dòng)力學(xué)模型。

基于三維建模軟件SolidWorks建立簡(jiǎn)易導(dǎo)管螺旋槳模型，以此分析單獨(dú)導(dǎo)管螺旋槳的性能和ROV的水動(dòng)力性能?；趶?fù)雜的曲面建立合適的流場(chǎng)域，并對(duì)螺旋槳網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。分析轉(zhuǎn)速改變時(shí)螺旋槳的水動(dòng)力性能的變化情況，繪制不同進(jìn)速因數(shù)下螺旋槳轉(zhuǎn)矩因數(shù)和推力因數(shù)的變化曲線，得到導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力特性曲線。

基于單獨(dú)導(dǎo)管螺旋槳研究結(jié)果，考慮到導(dǎo)管螺旋槳對(duì)ROV系統(tǒng)帶來(lái)的影響，計(jì)算對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下單獨(dú)導(dǎo)管螺旋槳與ROV影響下產(chǎn)生的推力，認(rèn)為單獨(dú)螺旋槳產(chǎn)生的推力之和可作為ROV系統(tǒng)的總推力。在固定螺旋槳轉(zhuǎn)速的情況下，在預(yù)估航速附近設(shè)置多個(gè)航速點(diǎn)，通過(guò)回歸曲線的方法確定此轉(zhuǎn)速下推力與阻力相等的航速點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)航速的預(yù)報(bào)，并預(yù)報(bào)導(dǎo)管螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下ROV的航速。