流体力学应用/Aabdoz：水下航行器设计

ROV 设计

ROV 动画视图

顾名思义，水下航行器是在水下航行的车辆，无论是否需要操作员/驾驶员的操控。水下航行器（UV）有可能彻底改变我们进入海洋的方式，以解决诸如水下搜索和测绘、气候变化评估、海洋生境监测和浅水水雷反制等关键问题。它们可以测量水的物理特性，如温度、盐度和溶解氧，检测来自微观海洋藻类的叶绿素，以及测量水中微粒的浓度，绘制海底地图，以及收集海底和中水域的图像。它们有可能成为海洋探测和采样的无处不在的工具。水下航行器可分为两大类：载人水下航行器，简称 MUV，以及无人水下航行器，简称 UUV。MUV 能够在有人员乘坐的情况下在水下运行（例如潜艇），而 UUV 则能够在无人乘坐的情况下运行。

历史

在中世纪，英国人威廉·伯恩于 1578 年设计了一艘原型潜艇。第一艘成功的潜艇由科内利斯·雅各布松·德雷贝尔于 1620 年建造，它可能是基于伯恩的设计。AUV 的起源可能与怀特黑德的“鱼雷”自动鱼雷有关。罗伯特·怀特黑德被认为于 1866 年在奥地利设计、建造并展示了第一枚鱼雷。 获得沿精确轨迹和冰下海洋学数据的需求促使华盛顿大学应用物理实验室的斯坦·墨菲、鲍勃·弗朗索瓦，以及后来的特里·埃沃特，在 20 世纪 50 年代后期开始开发可能成为第一款“真正的”AUV 的产品。他们的工作导致了“自行式水下研究航行器”（SPURV）的开发和运行。SPURV I 于 60 年代初投入使用，并在 70 年代中期支持了研究工作。

应用

ROV 操作将减少昂贵且危险的潜水员部署。以下应用非常适合我们在近海、陆上和近岸环境中使用 ROV。所有可行的调查、检查、监视和轻型干预工作，在以下区域的水下进行：

• 石油和天然气行业
• 水产养殖
• 打捞、回收和救援
• 化学工业
• 冷却水进水口和出水口
• 腐蚀和阴极测量
• 物体探测（防碰撞/成像声纳和侧扫声纳）
• 取样
• 水库/大坝
• 围护结构、管道、电缆
• 环境调查
• 调查沉没物体（船只、沉船、汽车、摩托车、飞机等）

浮力中心

浮力中心的计算是考虑到水下航行器的总体积来进行的。计算$X_{b}$ 的公式如下

$x_{b}={\frac {(x\forall )_{thruster}+(x\forall )_{cylinder}+(x\forall )_{wings}}{(\forall _{thruster}+\forall _{cylinder}+\forall _{wings})}}$

• $x$- 每个体积到 x-z 平面的距离
• $x_{b}$- 浮力中心到 x-z 平面的距离
• $\forall$- 航行器不同部分的体积

重心

重心 (C.G) 是通过考虑每个部件相对于与$X_{v}$ – $Z_{v}$ 平面重合的圆柱体的中心处的重量来计算的。

$x_{cg}={\frac {(xm)_{thruster}+(xm)_{cylinder}+(xm)_{wings}}{(m_{thruster}+m_{cylinder}+m_{wings})}}$

$z_{cg}={\frac {(zm)_{thruster}+(zm)_{cylinder}+(zm)_{wings}}{(m_{thruster}+m_{cylinder}+m_{wings})}}$

• $x_{cg}$–X 方向重心
• $z_{cg}$–Z 方向重心
• $x$–距离 X-Z 平面的中心距离
• $z$–距离 X-Z 平面的中心距离
• $m$–部件质量

推力方程

推力 是风扇排放时通过的流体体积施加的力。基本方程如下所示：

$T_{g}=Q_{d}\times V_{d}\times \rho$

$T_{g}$ = 总推力（不包括阻力或损失）

$Q_{d}$ = 排放时空气量

$V_{d}$ = 排放时空气速度

$\rho$ = 流体密度

动量阻力

推力风扇的工作原理是将静止的流体从其前方吸入，并使用风扇叶片增加压力和速度。如果入口处的流体已经具有一定动量，则风扇无法以相同的量增加其速度，这种差异称为动量阻力 $(D_{m})$

$D_{m}=Q_{d}\times V_{o}\times \rho$

$V_{o}$ = 自由流速度

净推力

净推力 $(T_{n})$ 是总推力减去动量阻力。

因此，净推力由下式给出

$T_{n}=(Q_{d}\times V_{d}\times \rho )-(Q_{d}\times V_{o}\times \rho )$

$T_{n}=Q_{d}\times \rho (V_{d}-V_{o})$

流体量由风扇面积 $\times$ 排放速度 $(A\times V_{d})$ 给出。

 $T_{g}=V_{d}^{2}\times A\times \rho Newtons$

 $T_{n}=V_{d}\times A\times \rho (V_{d}-V_{o})Newtons$

螺旋桨截面的二维视图

积分法

图中所示的控制体积已经从装置足够远的地方绘制，使得压力在任何地方都等于一个常数。这不是必需的，但它使积分动量定理的应用更加方便。我们还假设螺旋桨流管外部的流动在总压力方面没有变化。然后，由于流动是稳定的，我们应用

$\sum F_{x}=\int \limits _{cs}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} s$

由于压力在任何地方都是平衡的，因此控制体积上唯一的力是由于其边界上的动量通量变化造成的。因此，通过观察，我们可以说

$T={\dot {m}}(u_{e}-u_{o})$

$T=\int \limits _{cs}\rho u_{x}({\vec {u}}\cdot {\vec {n}})\mathrm {d} A$

$\int \limits _{cs}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} A=\rho _{e}u_{e}A_{e}u_{e}-\rho _{o}u_{o}A_{o}u_{o}+\int \limits _{cs-A_{o}-A_{e}}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} A={\dot {m}}u_{e}-{\dot {m}}u_{o}+{\vec {u_{o}}}\cdot \int \limits _{cs-A_{o}-A_{e}}\rho u_{x}({\vec {u}}\cdot {\vec {n}})\mathrm {d} A$

请注意，最后一项根据质量守恒定律，完全等于零。如果螺旋桨流管进出流管的质量流量相同（正如我们所定义的），则流入控制体积其余部分的净质量通量也必须为零。

所以我们有

$T={\dot {m}}(u_{e}-u_{o})$

视觉分析

所示的各种流动可视化是在 Solidworks 平台上完成的。流动仿真使工程师能够利用 CAD 集成、高级几何网格划分功能、强大的求解收敛性以及自动流动状态确定，而不会牺牲易用性和准确性。无论是产品工程师还是 CFD 专家，借助 SOLIDWORKS Flow Simulation 的强大功能，都可以在设计过程中预测流场、混合过程和传热，并直接确定压降、舒适性参数、流体作用力和流体结构相互作用。SOLIDWORKS Flow Simulation 支持真正的并行 CFD，无需高级 CFD 专业知识。SOLIDWORKS Flow Simulation 软件简化了流动分析的复杂性，使工程师能够轻松地模拟流体流动、传热和流体作用力，从而能够研究液体或气体流动对产品性能的影响。

螺旋桨上的动压

螺旋桨上的压力变化

旋转螺旋桨上的速度变化