小型便攜式水下機器人側(cè)掃聲吶的流線型優(yōu)化分析

劉進 譚華 蘇亮 仇國際 劉睿 羅崇鑫 王宇 劉豪

摘要：以某一掛載側(cè)掃聲吶的小型便攜式自主水下機器人（AUV）為原型，對掛載側(cè)掃聲吶的AUV及掛載改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV進行水動力分析。發(fā)現(xiàn)改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV在正常航速3 kn和高航速6 kn下，得到了有效的阻力改善，包括黏性阻力和壓差阻力的降低。在航速3 kn時，黏性阻力降低了9%，壓差阻力降低了18%，總阻力降低了15.4%；在航速6 kn時，黏性阻力降低了4.2%，壓差阻力降低了12%，總阻力降低了10.1%。這些結(jié)果表明，通過優(yōu)化AUV掛載側(cè)掃聲吶的流線型，可以有效地提高AUV的動力性能，降低其阻力，從而提高AUV的性能和效率。

關(guān)鍵詞：自主水下機器人；側(cè)掃聲吶；流線型；壓差阻力；黏性阻力；動力性能

中圖分類號：TH138?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）06-0008-07

Streamline optimization analysis of side-scan sonar on small

autonomous underwater vehicle

LIU Jin1，TAN Hua1，2*，SU Liang1，QIU Guoji1，LIU Rui1，LUO Chongxin1，WANG Yu1，LIU Hao1

（1.Qingdao Gosci Technology Group ，Qingdao 266237，China；2.Qingdao Gosci Intelligent

Equipment Technology Co.，Ltd.， Qingdao 266237， China）

Abstract∶Water dynamics analysis was conducted on a compact and portable autonomous underwater vehicle（AUV） with side-scan sonar and amodified AUV with streamlined side-scan sonar. The analysis focused on examining the drag forces experienced by both AUVs at different speeds. The results demonstrated that the streamlined side-scan sonar effectively reduced pressure and viscous drag forces， resulting in an overall drag reduction of 15.4% at a normal speed of 3 knots， with a 9% reduction in viscous drag and an 18% reduction in pressure drag.At a high speed of 6 knots， the overall drag was reduced by 10.1%， with a 4.2% reduction in viscous drag and a 12% reduction in pressure drag. These findings demonstrate that optimizing the streamlined design of the AUV with side-scan sonar can effectively enhance the dynamic performance of the AUV， reduce its drag force， and improve its efficiency and performance.

Key words∶autonomous underwater vehicle; side-scan sonar; streamlined; viscous drag; pressure drag; dynamic performance

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，對海洋資源的需求越來越大，而小型便攜式自主水下機器人（autonomous underwater vehicle，AUV）具有在海洋深處進行探測和勘測、收集數(shù)據(jù)和樣本、執(zhí)行維護和修復(fù)任務(wù)等多種功能［1］。相比于傳統(tǒng)的海洋勘測方法，它具有體積小、操作靈活、無需船只支持等優(yōu)勢，大大提高了海洋資源的研究效率和成本效益。因此，AUV作為研究和開發(fā)海洋資源的重要工具之一，成為近年來海洋工程技術(shù)研究的熱點。小型便攜式AUV通常是通過內(nèi)部自帶的蓄電池來提供能源的，而不像有纜水下機器人那樣需要電纜來提供電源。由于AUV所需的能源消耗取決于其航速和所受阻力的大小，因此在設(shè)計AUV時，需要考慮在任務(wù)完成的前提下，盡可能地減小其受到的阻力。

近年來，計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）在AUV水動力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)試驗相比，CFD具有可預(yù)先研究、不受條件限制、成本低和周期短等優(yōu)點。因此，許多學(xué)者開始探索如何利用CFD來設(shè)計優(yōu)化AUV的各項參數(shù)，以盡可能地減小其所受的阻力，并提高其速度和穩(wěn)定性。這些參數(shù)包括AUV的外形、尺寸、大小等，都對AUV的水動力性能和能源消耗產(chǎn)生著重要影響。通過CFD模擬分析，可以更加深入地理解AUV的水動力學(xué)特性，為優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。魏子凡等［2］基于CFD對不同AUV艇體的阻力性能進行了分析，王敏?。?］研究了考古AUV水動力分析及殼體外形設(shè)計，汪向前［4］研究了太陽能AUV概念設(shè)計與水動力性能分析，但是在針對某一具體型號的小型便攜式自主水下機器人的掛載側(cè)掃聲吶流線型優(yōu)化方面，鮮有學(xué)者進行相關(guān)的分析研究。本文旨在研究一種小型自主式水下機器人掛載側(cè)掃聲吶的流線型對其水動力性能的影響。通過使用CFD分析工具，比較了兩種不同流線型側(cè)掃聲吶對小型AUV的速度矢量場、壓力場、壓差阻力和黏性阻力等水動力參數(shù)的影響。以總阻力值［5］作為評價標準，以改善AUV的整體水動力性能為目標，探討了優(yōu)化掛載側(cè)掃聲吶流線型［6］的方法。

1 幾何模型

選用某海洋科技公司提供的掛載側(cè)掃聲吶的小型AUV作為研究對象，使用Solidworks軟件［7］，根據(jù)真實尺寸建立小型掛載側(cè)掃聲吶AUV的幾何模型，并簡化了AUV表面的細節(jié)結(jié)構(gòu)。因為細節(jié)結(jié)構(gòu)對水動力分析的影響非常小，而在建立數(shù)值模型時對網(wǎng)格劃分的要求非常高［8］，同時這些細節(jié)需要復(fù)雜的計算，這將導(dǎo)致計算時間長且效率低下，故使用簡化的模型。側(cè)掃聲吶尺寸為總長450 mm，總寬40 mm，總高30 mm［9］。圖1為

小型掛載側(cè)掃聲吶AUV的尺寸和改進后的掛載流線型側(cè)掃聲吶的AUV型線圖。

2 計算流體力學(xué)模擬

AUV在水下航行時所受到的阻力對其快速性［10］和運動預(yù)報具有重要影響，也是綜合航行［11］性能的重要因素之一。為了準確計算AUV的水下阻力，實現(xiàn)其操縱性能預(yù)報和運動控制，采用CFD數(shù)值模擬計算方法對原掛載側(cè)掃聲吶和改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV進行了阻力分析。采用1∶1比例的AUV實體模型，并將其放置在直徑為5 000 mm、長度為12 000 mm的圓柱形水域中作為計算域，以確保數(shù)值模擬結(jié)果的準確性和可靠性。

在本文中使用ICEM-CFD軟件對AUV進行網(wǎng)格劃分。在處理圓柱體流場計算域時，采用四面體網(wǎng)格，因為四面體網(wǎng)格在保持網(wǎng)格單元質(zhì)量均勻性方面表現(xiàn)良好，能夠提供更穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果。為了捕捉細節(jié)并準確模擬流場的行為，對掛載側(cè)掃聲吶的關(guān)鍵部分使用更密集的網(wǎng)格，通過加密網(wǎng)格，提高計算結(jié)果的準確性，為了保證網(wǎng)格的連續(xù)性設(shè)置了邊界層。總共生成了260 008個網(wǎng)格單元，最終得到的網(wǎng)格模型如圖2所示，該模型具有高度的細節(jié)和精度，可以用于進行后續(xù)的數(shù)值模擬計算。

本文使用三維CFD求解器對N-S方程進行求解，并采用二階迎風(fēng)格式進行網(wǎng)格離散化處理。因雷諾數(shù)處于湍流流動范圍，因此采用Realizable k-ε湍流模型［12］對流場的湍流流動進行描述。該湍流模型可以更準確地描述湍流流動的物理特性，在數(shù)值求解過程中，通過求解k和ε兩個方程，可以得到湍動能和湍流耗散率的變化情況。通過這些變量的計算，可以進一步計算湍流剪切應(yīng)力和湍流動能的傳遞等物理量，從而更準確地模擬流場的湍流流動。模擬AUV在水域中以某個恒定速度航行的狀態(tài)，主要對AUV所受阻力進行分析。為計算方便，本文入口條件設(shè)置為velocity-inlet，出口條件設(shè)置為outflow，流體密度ρ=1 000 kg/m3，入口速度設(shè)置1，2，…，n kn（1 kn=0.514 m/s）。求解ns方程，獲得航行器運動過程中的流場信息。

3 流場結(jié)果分析

3.1 流域速度矢量分析

本文對掛載原側(cè)掃聲吶的AUV和掛載改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV在3 kn和6 kn的不同航速下的水動力性能影響進行了CFD分析。得到的側(cè)掃聲吶的流域速度矢量結(jié)果如圖3所示。

通過對相同航速下掛載原側(cè)掃聲吶AUV與掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的流域速度矢量圖分析可得，原側(cè)掃聲吶在航速3 kn和6 kn下，來自前方的水流在穿過側(cè)掃聲吶之后會發(fā)生彎曲和分離，并且會在聲吶尾部形成一個旋渦，導(dǎo)致在回旋區(qū)域內(nèi)的流體速度降低，同時也會降低壓力，形成一片低壓區(qū)域。這個低壓區(qū)域會影響周圍流體的流動狀態(tài)，從而導(dǎo)致總壓損失?？倝簱p失會減少AUV的推進力，同時，產(chǎn)生的局部渦流會消耗能量并增加AUV的阻力；相比之下，改進的流線型側(cè)掃聲吶在3 kn和6 kn航速下可以更好地控制水流的流動狀態(tài)，減少水流阻力，降低能耗，可以有效避免旋渦的形成和總壓損失的發(fā)生。

3.2 壓力場分析

圖4為側(cè)掃聲吶模型改進前后AUV在航速為3 kn和6 kn下流域的壓力場云圖。通過比較相同航速下原側(cè)掃聲吶與改進流線型側(cè)掃聲吶的流域壓力場云圖，可以看出兩種聲吶在首部表面的壓力最大。這是由于在航行過程中，水流遇到首部前沿時會產(chǎn)生阻力，從而在首部形成正壓區(qū)。同時，由于水流的運動狀態(tài)和側(cè)掃聲吶表面形狀的變化，水流會在首部上下緣角處轉(zhuǎn)折形成局部分離，導(dǎo)致水流速度增大，從而產(chǎn)生負壓區(qū)域。在側(cè)掃聲吶的中段長度方向，水流的壓力分布對AUV的流體動力學(xué)性能產(chǎn)生影響。因為在這一段長度內(nèi)，水流通過AUV的側(cè)面時會產(chǎn)生壓差，影響AUV的穩(wěn)定性。當水流的壓力分布不均勻時，AUV的航行狀態(tài)會變得不穩(wěn)定，并且流體阻力增加，AUV的速度和效率降低。對其在首部和尾部進行流線型改進，使水流在流經(jīng)側(cè)掃聲吶的過程中更加平緩地分流，減小了側(cè)面的壓差，從而在流域壓力場云圖中呈現(xiàn)出更均勻的對稱面壓力分布，壓力梯度也更平緩。這種設(shè)計提高了AUV的穩(wěn)定性，從而能夠更加精準地進行側(cè)向探測和測量。

3.3 表面壓力分析

圖5為該掛載側(cè)掃聲吶AUV在不同航速下的表面壓力分布圖。由圖5可以看出，AUV表面的頭部以及附件迎流面壓力較高。在3 kn航速下，掛載原側(cè)掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為102 477 Pa，背流面最小的絕對壓力為100 310 Pa；掛載改進型側(cè)掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為102 350 Pa，背流面最小的絕對壓力為100 160 Pa；在6 kn航速下，掛載原側(cè)掃聲吶AUV迎流面最大的絕對壓力為105 954 Pa，背流面最小的絕對壓力為97 269 Pa；改進型AUV迎流面最大的絕對壓力為105 632 Pa，背流面最小的絕對壓力為96 106 Pa。

可以發(fā)現(xiàn)在3 kn和6 kn速度下無論是迎風(fēng)面還是背流面掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的壓力值都低于掛載原側(cè)掃聲吶的壓力值。當AUV在水中移動時，周圍的水會對其表面施加壓力。這個壓力分布影響AUV的運動和穩(wěn)定性。在這種情況下，改進掛載的側(cè)掃聲吶具有更流線型的形狀，使得水流更加順暢地流過AUV的表面。這樣可以減少AUV表面的壓力分布，從而減少阻力和摩擦。此外，由于側(cè)掃聲吶的流線型更好，在水流黏性作用下，側(cè)掃聲吶也不容易發(fā)生局部分離，進一步減少了AUV表面的壓力分布。因此，改進掛載的側(cè)掃聲吶的流線型能夠提高AUV的動力性能，減小其受到的阻力和摩擦，提高運動效率和穩(wěn)定性。此外，無論在低航速和高航速狀態(tài)下，改進型AUV上的附件對流場的擾動均小于原AUV上的附件對流場的擾動，這進一步證明了改進流線型側(cè)掃聲吶對AUV的性能和效率的重要作用。

3.4 阻力特性分析

降低AUV阻力可以提高AUV的運行效率和續(xù)航能力，減少能源消耗，同時提高AUV的穩(wěn)定性和控制性能，因此是AUV改進的主要目標之一。在1～7 kn航速下進行數(shù)值模擬計算，掛載原側(cè)掃聲吶AUV和掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV模型的黏性阻力和壓差阻力隨航速變化的柱狀圖如圖6所示。從圖中可以看出，掛載側(cè)掃聲吶AUV模型的黏性阻力和壓差阻力隨著航速的增加而增大。同時，掛載原側(cè)掃聲吶AUV在3～7 kn航速下的黏性阻力和壓差阻力均明顯高于掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV。在3 kn航速下，掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的黏性阻力比掛載原側(cè)掃聲吶AUV降低了9%，壓差阻力降低了18%。在6 kn航速下，掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的黏性阻力比掛載原側(cè)掃聲吶AUV降低了4.2%，壓差阻力降低了12%。

掛載側(cè)掃聲吶AUV的總阻力隨航速變化的折線圖阻力值如圖7所示。從圖中可以看出，在航速達到2 kn后，掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的總阻力值明顯低于掛載原側(cè)掃聲吶AUV的阻力值，并且呈現(xiàn)非線性增加的趨勢。

3.5 數(shù)值模擬試驗驗證

掛載原側(cè)掃聲吶AUV和掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV模型在1～7 kn航速下的數(shù)值模擬得到的總阻力值見表2。發(fā)現(xiàn)在3 kn的航速下，掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的總阻力值比掛載原側(cè)掃聲吶AUV降低15.4%，在6 kn的航速下，掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的總阻力值比掛載原側(cè)掃聲吶AUV降低10.1%。改進后的側(cè)掃聲吶采用了流線型設(shè)計，這種設(shè)計可以減少側(cè)掃聲吶產(chǎn)生的正壓區(qū)和負壓區(qū)。在流體作用下，正壓區(qū)和負壓區(qū)之間會產(chǎn)生分離區(qū)，也就是阻力產(chǎn)生的主要區(qū)域。在改進后的側(cè)掃聲吶中，采用了更加流線型的設(shè)計，使得分離區(qū)的大小更小。這意味著在流體作用下，需要消耗的能量更少，因此產(chǎn)生的阻力也就更小，從而降低了AUV的總阻力值。

研究表明，通過采用掛載改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的設(shè)計方案，可以有效地減小AUV在航行過程中所受到的各項阻力值。在正常航速3 kn和高航速6 kn航速下進行的對比試驗結(jié)果顯示，改進方案在正常航速和高航速下都具有顯著的減阻效果，這表明了流線型設(shè)計在提高AUV性能方面的有效性。

4 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明，通過對掛載原側(cè)掃聲吶的AUV和掛載改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV進行水動力分析，發(fā)現(xiàn)在不同航速下，改進流線型側(cè)掃聲吶的AUV均得到了有效改善。改進后的小型AUV在3 kn航速時黏性阻力降低9%，壓差阻力降低18%，總阻力降低15.4%；在6 kn航速時黏性阻力降低4.2%，壓差阻力降低12%，總阻力降低10.1%。通過優(yōu)化AUV掛載側(cè)掃聲吶的流線型，可以顯著降低AUV的阻力值，從而提高AUV的性能和效率。因此，改進流線型側(cè)掃聲吶AUV的設(shè)計方案具有廣闊的應(yīng)用前景，可以為未來掛載附件的AUV提供有益的參考。

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