Способ учета влияния работающего водометного движителя на позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта
METHOD OF CONSIDERING EFFECT OF OPERATING WATER-JET PROPULSOR ON POSITION HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к управлению судами, в частности, подводными транспортными средствами, предназначено для определения параметров устойчивости и управляемости подводного объекта и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных транспортных средств, выполняющих сложное маневрирование.
Известен способ определения позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта, основанный на раздельном расчетном определении этих характеристик на голый корпус подводного объекта и оперение с последующим суммированием этих характеристик (см. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов / Е.Н. Пантов. - Л.: Судостроение, 1973. - стр. 59-67).
Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса подводного объекта и влияния движителя, что приводит к погрешностям.
Известны также экспериментальные способы определения позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта, основанные на испытании физических моделей подводного объекта в водной или воздушной среде (см. Фирсов Г.А. Управляемость корабля / Г.А. Фирсов. - Л.: Издательство ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского, 1954. стр. 60-67). При испытаниях поток обтекает неподвижно установленную физическую модель подводного объекта. Измерение сил и моментов, действующих на физическую модель в потоке, производится с помощью специальных весов.
Недостатком этих способов является наличие погрешностей из-за масштабного эффекта, косвенный приближенный учет влияния движителя, а также высокая стоимость производства физических моделей подводного объекта.
Известен также «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля» (пат. RU №2690305, опубл. 31.05.2019, МПК: В63Н 25/00) - взятый за прототип, включающий определение центра вращения корабля, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, при этом формируют трехмерную электронную модель корабля, вокруг этой трехмерной электронной модели формируют внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента, внутренняя вычислительная сетка в виде сферического сегмента выполнена с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью относительно внешней вычислительной сетки. В расчетной области, занятой внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока, скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля, при этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа, в результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель: компоненты гидродинамической силы и момента в связанной системе координат, анализируют их и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дрейфа равных нулю, затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля, а полученные демпфирующие гидродинамические характеристики используют при выполнении сложного маневра кораблем.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения гидродинамических характеристик корабля в установившемся движении, а также не учет влияния работающего движителя, что приводит к погрешностям.
Задачей изобретения является повышение безопасности управления подводным объектом при выполнении им сложного маневрирования за счет повышения точности прогнозирования его движения по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта с учетом влияния работающего водометного движителя, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции подводного объекта при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ учета влияния работающего водометного движителя на позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта включает определение центра вращения подводного объекта, формирование трехмерной электронной модели подводного объекта, вокруг этой трехмерной электронной модели формируют внутреннюю вычислительную сетку, внутреннюю вычислительную сетку выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью подводного объекта относительно внешней вычислительной сетки. В расчетной области, занятой внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока, скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения подводного объекта, при этом в отличие от прототипа внутреннюю вычислительную сетку вокруг трехмерной электронной модели подводного объекта формируют сферической формы, с центром сферы, совпадающим с точкой вращения подводного объекта. В кормовой части трехмерной электронной модели подводного объекта формируют водометный движитель с рабочим колесом. Вокруг рабочего колеса водометного движителя формируют цилиндрическую вычислительную сетку, с возможностью вращения рабочего колеса водометного движителя относительно внутренней сферической вычислительной сетки. Задают частоту вращения рабочего колеса водометного движителя и последовательно задают угловые перемещения подводного объекта по углам атаки α, дрейфа β и крена θ. В результате определяют стационарные гидродинамические воздействия на подводный объект с работающим водометным движителем при разных значениях углов атаки α, дрейфа β и крена θ, анализируют их и затем определяют позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта по соотношениям:
х
x
x
x
с(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ));
y
y
y
y
c(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ));
z
z
z
z
c(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ)),
здесь
х
с - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси ОХ;
х
М - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси ОХ;
y
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OY;
y
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OY;
y
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
y
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
z
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OZ;
z
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OZ, затем эти позиционные гидродинамические характеристики используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения подводного объекта в условиях сложного маневрирования.
Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Последовательное выполнение операций, направленных на формирование внутренней сферической вычислительной сетки с центром сферы, совпадающим с точкой вращения подводного объекта, с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью подводного объекта относительно внешней вычислительной сетки и цилиндрической вычислительной сетки, содержащей рабочее колесо водометного движителя с возможностью вращения относительно внутренней сферической вычислительной сетки, позволяет задавать угловые перемещения подводного объекта по углам атаки α, дрейфа β и крена θ в потоке и, тем самым:
- повысить точность прогнозирования движения подводного объекта по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта,
- снизить погрешность в определении диаметра циркуляции подводного объекта при маневрировании.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:
- повысить безопасность управления подводным объектом при выполнении им сложного маневрирования;
- повысить точность управления подводным объектом.
Сущность способа учета влияния работающего водометного движителя на позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - схема, отражающая задание угловых перемещений подводного объекта по углу атаки;
на фиг. 2 - схема, отражающая задание угловых перемещений подводного объекта по углу дрейфа;
на фиг. 3 - схема, отражающая задание угловых перемещений подводного объекта по углу крена;
на фиг. 4 - схема, отражающая цилиндрическую вычислительную сетку, содержащую рабочее колесо водометного движителя.
Для определения позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта около его трехмерной электронной модели 1 формируют внутреннюю сферическую вычислительную сетку 2 с центром сферы, совпадающим с точкой вращения трехмерной электронной модели подводного объекта. Внутреннюю сферическую вычислительную сетку 2 выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью подводного объекта 1 относительно внешней вычислительной сетки 3. Вокруг рабочего колеса 4 водометного движителя 5 формируют цилиндрическую вычислительную сетку 6, с возможностью вращения рабочего колеса 4 водометного движителя 5 относительно внутренней сферической вычислительной сетки 2. В расчетной области, сформированной внутренней, внешней и цилиндрической вычислительными сетками 2, 3, 6, определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения подводного объекта, а также задают соответствующую частоту вращения рабочего колеса 4 водометного движителя 5. Вводят поточную систему координат с началом в точке вращения подводного объекта (точка О). Ось ОХ направлена параллельно вектору скорости набегающего потока в нос, OY - вверх, OZ - на правый борт. При этом последовательно задают угловые перемещения подводного объекта по углам атаки α, дрейфа β и крена θ. В результате определяют стационарные гидродинамические воздействия на подводный объект при разных значениях углов атаки α, дрейфа β и крена θ, анализируют их и затем определяют позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта с работающим водометным движителем по соотношениям:
х
x
x
x
с(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ));
y
y
y
y
c(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ));
z
z
z
z
c(α,β,θ)=ƒ(F(α,β,θ)); m(α,β,θ)=ƒ(M(α,β,θ)),
здесь
х
с - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси ОХ;
x
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси ОХ;
х
М - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси ОХ;
y
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OY;
y
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OY;
y
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
y
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OY;
z
c - коэффициент позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
F - компонента позиционной гидродинамической силы по оси OZ;
z
m - коэффициент позиционного гидродинамического момента относительно оси OZ;
z
M - компонента позиционного гидродинамического момента относительно оси OZ.
Полученные позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта с работающим водометным движителем используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения подводного объекта в условиях сложного маневрирования.
Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ учета влияния работающего водометного движителя на позиционные гидродинамические характеристики подводного объекта», направленные на повышение безопасности управления судном, где в качестве объекта моделирования выбрано подводное транспортное средство, обладающее определенными гидродинамическими характеристиками.
Анализ полученных данных показал, что снижается погрешность в определении диаметра циркуляции подводного объекта при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления подводным объектом увеличивается за счет учета стационарных гидродинамических воздействий, возникающих при угловых перемещениях подводного объекта в потоке и учета работы водометного движителя.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления подводным объектом при выполнении им сложного маневрирования, а также в повышении точности управления подводным объектом.