(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111449386.0 (22)申请日 2021.11.24 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 冀大雄　王睿　翟阳阳　程慧芳　 汪新伟　 (74)专利代理 机构 杭州中成专利事务所有限公 司 33212 代理人 周世骏 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于CFD软件的水下航行器水动力系数 测算方法 (57)摘要 本发明涉及水下航行器技术领域， 旨在提供 一种基于C FD软件的水下航行器水动力系数测算 方法。 包括： 建立水下航行器的外轮廓3D 模型， 进 行优化处理后导入CFD软件中； 建立流场模型， 对 于变速和旋转运动中需额外建立重叠网格模型； 设定区域和边界条件后划分网格， 建立六自由度 DFBI运动体； 根据模拟运动的类型给予自由度， 分别进行各个自由度上的匀速平移运动、 变速平 移运动、 旋转运动的模拟， 并记录相关动力学参 数； 对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、 速度/ 角速度、 加速度/角加速度， 应用MAT LAB软件进行 曲线拟合与曲面拟合， 得到相应的水动力系数。 本发明步骤简便， 可重复性高； 稳定可靠， 结果准 确； 门槛低， 易于实现； 应用范围广， 能实现跨介 质参数计算。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114186508 A 2022.03.15 CN 114186508 A 1.一种基于 CFD软件的水 下航行器水动力系数测算方法， 其特 征在于包括以下步骤： (1)建立水 下航行器的外轮廓3D模型， 进行优化处 理后导入CFD软件中； (2)建立流场模型， 对于变速和旋转 运动中需额外建立重 叠网格模型； (3)设定区域和边界条件后划分网格， 建立六自由度DFBI运动 体； 根据模拟运动的类型 给予自由度， 分别进行各个自由度上 的匀速平移运动、 变速平移运动、 旋转运动的模拟， 并 记录相关动力学参数； (4)对CFD软件所得到的航行器受力/力矩、 速度/角速度、 加速度/角加速度， 应用 MATLAB软件进行曲线拟合与曲面拟合， 得到相应的水动力系数。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 步骤(1)中所述优化处 理包括： (1.1)填充模型内部的中空结构； (1.2)填充模型表面的细微 孔洞； (1.3)将螺 旋桨结构替换为桨叶旋转轨 迹的包络面。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤(2)包括： (2.1)在CFD软件中搭建流场和水 下航行器的静态网格模型； (2.2)对于变速运动模拟， 额外绘制一个包裹水下航行器模型的小型几何体； 将该小型 几何体与水下航行器模 型做substract的布尔运算， 得到重叠网格模 型； 该重叠网格模 型的 主体为小型几何体， 其内部空腔具有水 下航行器的轮廓； (2.3)在CFD软件中设置水 下环境的介质参数， 并划分控制体区域。 4.根据权利 要求3所述的方法， 其特征在于， 所述步骤(2.3)中， 将流场的来流面设置为 速度进口， 对立面设置为压力出口， 流场的其余面设定为壁面； 在重叠网格模型中， 小型几 何体的表面设定为重 叠网格面， 水 下航行器表面设定为 壁面。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤(3)包括： 1)使用静网格模拟匀速平移运动， 对速度进口设定不同的来流速度， 记录稳定后水下 航行器所受的合外力； 2)使用重叠网格模拟变速平移运动， 将流场的边界面设置为壁面， 对水下航行器施加 不同大小的控制力， 读数 稳定后， 记录不同时刻下的速度与加速度； 3)使用重叠网格模拟旋转运动， 对水下航行器施加不同大小的控制力矩， 读数稳定后， 记录不同时刻下的角速度与角加速度。 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在步骤(4)中， 对于平移运动， 包括以下内 容： (4.1)在速度进口中设定来流速度为0， 在CFD软件中测定稳定时水下航行器所受的合 外力Fz； 此时Fz等效为水下航行器所受的恢复力； 即Fz＝B‑G， B和G分别为水下航行器所受的 浮力和重力； (4.2)设定不同的来流速度， 此 时速度矢量的相反矢量等效为水下航行器在z轴进行匀 速平移的速度矢量 w， 测定不同w下的Fz； 式中各符号的含义： m为水下机器人质量， Z为z轴方向上的控制力， Zw和Z|w|w分别为水下 航行器在z轴平移 自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数， |w|为速度的绝对值， 为加 速度， 为水下航行器在z轴平 移自由度的附加质量系数；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114186508 A 2(4.3)在匀速平移运动的模拟中， 由于Z＝0， 故水下航行器只受阻力与恢复力作 用， 即Fz＝(B‑G)‑(Zw+Z|w|w|w|)w； 以Fz做纵坐标， w做横坐标进行 曲线拟合即可计算阻力系 数； (4.4)在变速平移运动的模拟中， 需要在CFD软件中先搭建水下航行器的重叠网格模 型， 给予水下航行器z轴上 的平移自由度， 将流场所有面设置为壁面； 然后在重叠网格模型 中对水下航行器施加不同的控制力Z， 分别记录不同时刻下的w与 将计算出的阻力系数代 入公式(1)， 求平均数后即可计算附加质量系数 (4.5)在不同坐标轴上重复步骤(4.1) ‑(4.4)， 使用式(2)和式(3)测算出x轴与y轴平移 自由度上的水动力系数； 式中各符号的含义： X为x轴 方向上的控制力， Xu和X|u|u分别为水下航行器在x轴平移自 由度的线性阻力系数和非线性阻力系数， u与 分别为该方向上的速度与加速度， |u|为 该速 度的绝对值， 为水下航行器在x轴平移自由度的 附加质量系数； 同理， Y为y轴方 向上的控 制力， Yv和Y|v|v分别为水下航行器在y轴平移自由度的线性阻力系数和非线性阻力系数， v与 分别为该方向上的速度与加速度， |v|为该速度的绝对值， 为水下航行器在y轴平移自由 度的附加质量系数。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在步骤(4)中， 对于旋转运动， 包括以下内 容： (5.1)在CFD软件中搭建流场和水下航行器的重叠网格模型， 给予水下航行器z轴上的 旋转自由度， 施加固定的控制力矩N， 读数稳定后测算若干组水下航行器的角速度r与角加 速度 (5.2)改变N后重复步骤(5.1)， 以r为x轴， 为y轴， N为z轴， 在MATLAB的CFTOOL工具箱 中， 根据式(4)进行曲线拟合： 式中各符号的含义： Iz为水下航行器对z轴的转动惯量； 为z轴上旋转自 由度的附加质 量系数， 亦称附加转动惯量系数； Nr和N|r|r分别为该自由度上的线性与非线性阻力系数， |r | 为z轴上角速度绝对值； (5.3)在不同的坐标轴上重复步骤(5.1) ‑(5.2)， 使用式(5)和式(6)测算出x轴与y轴旋 转自由度上的水动力系数： 式中各符号的含义： Ix为水下航行器对x轴的转动惯量； K为x轴上控制力矩； Kp和K|p|p分 别为该自由度上的线性与非线 性阻力系数； 为x轴上旋转自由度的附加质量系数， 亦称附 加转动惯量系数； p与 分别为x轴上旋转的速度与加速度； |p|为x轴上角速度绝对值； 同理， Iy为水下航行器对y轴的转动惯量； M为y轴上控制力矩； Mq和M|q|q分别为该自由度上的线性 与非线性阻力系数； 为y轴上旋转自由度的附加质量系数， 亦称附加转动惯量系数； q与 分别为y轴上旋转的速度与加速度； |q|为y轴上角速度绝对值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114186508 A 3