ROV水动力特性试验研究

钟朝廷+张印桐+张永祥+徐诗婧

摘 要：通过研究开架式ROV水动力特性，分析了开架式ROV特殊的几何外型和作业特点，讨论了研究的必要性，通过1∶4的拘束模型试验测得了一套无因次水动力系数，并得到了五自由度ROV运动方程。该试验对校正ROV水动力模型、提高仿真精准度起到了至关重要的作用。

关键词：ROV；水动力系数；拘束模试验；试验数据

中图分类号：U661.43 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.013

ROV（Remotely Operated Vehicle）即遥控式无人潜水器，因其水下作业时间长，并且能够在深海和复杂危险的工作环境中完成高强度、高负荷的作业任务，所以，被广泛应用于海洋资源开发、水下工程、海底调查和打捞作业等领域。当前，安全性和稳定性对ROV实际作业十分重要，ROV水动力特性和运动控制策略是ROV研发过程中的2大关键技术，而ROV运动控制策略又依赖于其本身的水动力特性。因此，在研究ROV水动力特性时，要建立适用于ROV的运动数学模型，从而得到一套较为完备、准确的水动力系数。

当前，绝大多数ROV的运动仿真都是基于美国海军泰勒水池（DTNSRDC）发表的“模拟潜艇的标准运动方程”进行的，并适当简化。然而，该方程中的黏性水动力项是基于等速直航状态下进行泰勒展开，再根据潜艇的几何特性（左右对称、前后不对称、上下近似对称）和实验结果简化水动力项得到的。因为ROV几何外形具有左右对称、前后近似对称、上下不对称和框架式结构的特点，所以，可判定其与潜艇有很大的差别；因为ROV布置有多个推进器，作业时能够进行前后、左右、上下、原地回转等灵活运动，这与潜艇以纵向直航为主要运动特点也有很大的差异。由此可知，用潜艇标准运动方程不能很好地描述ROV的运动特性。Fossen假设ROV前后、左右、上下对称，提出了一种简化的、用于ROV的运动数学模型。这种ROV运动数学模型简单明了、水动力系数少，获取比较方便，而且考虑到ROV灵活多变的运动特性，特别是在低速作业的情况下，它能较好地模拟ROV运动，所以，近年来被不少学者运用。但是，这种数学模型忽略了ROV自身几何外形上前后、上下的不对称性，因此，还是与实际运动状况有一定的差异。

到目前为止，仍然缺少1套经过大量试验验证、被广泛认可的ROV水动力模型。ROV水动力模型的主要研究方法有CFD 仿真计算、系统辨识（SI）和拘束模型试验。由于ROV外型复杂、附体较多，并且流体力学理论、计算方法和设备还不够完善，所以，CFD 仿真计算受到了一定的限制。因为系统辨识（SI）主要依赖ROV实际航行过程中传感器测得的数据，而鉴于传感器的精度等问题，测得的结果一般误差比较大，所以，这种方法多用于水动力模型的修正。目前，模型试验仍然是研究ROV水动力模型最有效的手段。因此，本文选用拘束模试验研究ROV水动力性能。

本文先介绍了所研究的ROV，然后介绍了ROV模型试验、试验装置和方案，之后介绍了试验数据处理方法，并给出了无因次水动力系数，最后作了相关总结。

1 ROV总体性能

以英国SMD公司生产的工作级Quantum为例，研究了这一类型的深水作业型开架式ROV。如图1所示，Quantum是SMD公司成熟的水下机器人产品，它可以在高强度电流下稳定工作。该ROV拥有强劲的动力，可以完成各种复杂的工作，主要技术参数如表1所示。

2 ROV水动力试验

2.1 ROV试验模型

根据 ROV 的本体结构和布置特征，建造了缩尺比为1∶4的试验模型，模型情况如图2所示。该模型长0.875 m，宽0.5 m，高0.5 m，质量约为78 kg。模型上部为浮力材料，下部桁架为铁质。该模型只制作了 ROV 本体，并没有考虑缆线和机械手等部分。

2.2 试验装置和试验方案

ROV水动力试验分为2部分，一部分试验在哈尔滨工程大学循环水槽完成。试验模型用2根连杆与平面运动机构（PMM）相连，以约束模型运动；另一部分试验在“风、浪、流海洋环境模拟水池”（大水池）（50 m×50 m×30 m）进行，模型通过连杆与XY航车相连，以约束模型运动。循环水槽长17.3 m，宽6.0 m，高2.77 m；工作段长7.0 m，宽1.7 m，高1.5 m；最大流速为2.0 m/s；平面运动机构最大振幅为0.04 m；震荡周期为1～5 s；频率0.2～1 Hz；2根连杆跨距为0.40 m。在试验过程中，水温为14 ℃，受试验装置的限制，并没有作横摇试验。试验工况如表2所示。

3 试验数据处理和结果分析

为了方便描述ROV受力和运动，ROV运动坐标系如图3所示。坐标系原点为ROV重心，u，v和w分别表示纵向、侧向和垂向方向的线速度，X，Y和Z代表相应方向的力。此外，p，q和r表示横摇、俯仰和转艏角速度，K，M和N表示对应的力矩。

在试验过程中，水动力系数运用最小二乘法拟合得到。为了将试验结果运用到ROV实体中，需将得到的水动力系数作无因次化处理，它不同于潜艇标准运动方程中以纵向直航运动为主运动，对水动力模型进行泰勒展开。结合ROV的运动特性，以ROV静止状态进行水动力泰勒展开。因此，文中水动力无因次化方法也与潜艇标准运动方程不同，具体差异表现在一阶黏性水动力系数（ ）的无因次化方法上，具体表达式为：

式（1）（2）（3）中： 为无因次一阶黏性水动力系数；FU为有因次一阶黏性水动力系数；ρ为流体密度；l为ROV特征长度，文中取为ROV长度；g为重力加速度。

试验获得的无因次水动力系数如表3所示。

表3 无因次水动力系数

4 五自由度ROV运动方程

受试验条件的限制没有作横摇试验。但是，鉴于本文研究的开架式ROV自身结构的特点，其在运动过程中产生的横很小，因此，可以忽略ROV的横摇运动，将ROV的运动方程简化成五自由度运动方程，即：

式（4）（5）（6）（7）（8）中：XT，YT，ZT，MT，NT为ROV推进器推力（矩）；m为ROV质量；Iy，Iz为转动惯量；xB，yB，zB为ROV浮心坐标。

5 结论

简要探讨了ROV的水动力性能，由于ROV的运动特点不同于潜艇，它可以前后、左右、上下灵活运动，所以，区别于潜艇标准运动方程，以等速直航的平衡状态对水动力进行泰勒展开。本文以ROV静止状态进行水动力泰勒展开，并利用拘束模型试验测定了水动力系数。受试验条件的限制，没有作横摇试验。但是，鉴于本文研究的开架式ROV自身结构的特点，在运动过程中产生的横摇很小，可以忽略ROV的横摇运动，将ROV的运动方程简化成五自由度运动。同时，文中得到的ROV水动力模型并没有考虑缆线和机械手ROV单体的水动力特性，所以，今后要研究ROV与机械手和缆线整体的耦合运动特性。

参考文献

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〔编辑：白洁〕