Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта
METHOD FOR DETERMINATION OF DAMPING HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к управлению судами, в частности, подводными транспортными средствами и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных транспортных средств, выполняющих сложное маневрирование.
Известен способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и гидродинамического момента, 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. 75-82).
Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса подводного объекта и влияния движителя, что приводит к погрешностям.
Известны также экспериментальные способы определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта, основанные на испытании на ротативной установке, испытании искривленных моделей, а также определении этих характеристик методом малых колебаний (см. Федяевский К.К., Соболев Г.В. Управляемость корабля / К.К. Федяевский. - Л.: Судпромгиз, 1963. - стр. 111-127).
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, В63В 9/00, G06F 17/50) - 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 внутреннею 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 не учет влияния работающего движителя на демпфирующие гидродинамические характеристики корабля, что приводит к погрешностям.
Задачей изобретения является разработка нового способа определения демпфирующих (вращательных) гидродинамических характеристик подводного объекта, который позволяет устранить недостатки прототипа и обеспечить определение соответствующих гидродинамических характеристик на этапе проектирования до спуска объекта на воду с учетом влияния работы водометного движителя на значения гидродинамических характеристик.
Технический результат изобретения заключается в повышении 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 демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта с учетом работы водометного движителя, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции подводного объекта при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления подводным объектом увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного объекта в потоке, которые не могут быть определены при движении подводного объекта по траектории с постоянным диаметром циркуляции, а также благодаря учету влияния работающего водометного движителя.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта включает определение центра вращения подводного объекта, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта, формирование трехмерной электронной модели подводного объекта, формирование вокруг трехмерной электронной модели внутренней вычислительной сетки с возможностью вращения внутренней вычислительной сетки вместе с трехмерной электронной моделью подводного объекта относительно внешней вычислительной сетки, при этом в расчетной области 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. В отличие от прототипа вокруг трехмерной электронной модели подводного объекта формируют внутреннюю сферическую вычислительную сетку с центром сферы, совпадающим с точкой вращения подводного объекта. Вокруг рабочего колеса водометного движителя формируют цилиндрическую вычислительную сетку, с возможностью вращения рабочего колеса водометного движителя относительно внутренней сферической вычислительной сетки. Расчетную область формируют внутренней, внешней и цилиндрической вычислительными сетками, а также задают соответствующую частоту вращения рабочего колеса водометного движителя. При этом последовательно задают колебания подводного объекта по углам дифферента ψ, дрейфа β и крена θ. В результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на подводный объект, анализируют их и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дифферента, дрейфа и крена, равных нулю, затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики подводного объекта по соотношениям:
здесь  - компоненты гидродинамической силы и момента при нулевом значении угла дифферента;
- компоненты гидродинамической силы и момента при нулевом значении угла дрейфа;
- компоненты гидродинамического момента при нулевом значении угла крена;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических моментов относительно оси ОХ1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1, затем эти демпфирующие 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 колебательное движение подводного объекта в потоке с работающим водометным движителем и, тем самым:
- повысить точность прогнозирования движения объекта по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих 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 определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного объекта поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - схема, отражающая задание колебаний подводного объекта по углу дифферента;
на фиг. 2 - схема, отражающая задание колебаний подводного объекта по углу дрейфа;
на фиг. 3 - схема, отражающая задание колебаний подводного объекта по углу крена;
на фиг. 4 - схема, отражающая цилиндрическую вычислительную сетку, содержащую рабочее колесо водометного движителя.
x1
y1
z1
x1
y1
z1
Для определения демпфирующих 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. 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, 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 систему координат, связанную с подводным объектом с началом в точке вращения подводного объекта (точка О). Ось ОХ1 направлена в нос подводного объекта, OY1 - вверх, OZ1 - на правый борт. При этом последовательно задают колебания трехмерной электронной модели подводного объекта по углам дифферента ψ (колебания относительно оси OZ1), дрейфа β (колебания относительно оси OY1), крена θ (колебания относительно оси ОХ1). В результате расчета определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель подводного объекта: компоненты гидродинамической силы F(t), F(t), F(t) и момента N(t), M(t), M(t) в связанной системе координат. Анализируют эти зависимости и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дифферента, дрейфа и крена равных нулю. Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики подводного объекта по соотношениям.
При вращательных колебаниях подводного объекта относительно оси OZ1:
При вращательных колебаниях подводного объекта относительно оси OY1:
При вращательных колебаниях подводного объекта относительно оси ОХ1:
здесь  - компоненты гидродинамической силы и момента при нулевом значении угла дифферента;
- компоненты гидродинамической силы и момента при нулевом значении угла дрейфа;
- компоненты гидродинамического момента при нулевом значении угла крена;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических моментов относительно оси ОХ1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1.
Полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного объекта используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения подводного объекта в условиях сложного маневрирования.
Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик 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 нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного объекта в потоке с работающим водометным движителем, которые не могут быть определены при движении подводного объекта по траектории с постоянным диаметром циркуляции.
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.