基于AMESim 水下复杂均衡系统仿真及优化

2022-11-26徐仁超胡浩龙

舰船科学技术 2022年19期

钱宇，徐仁超，胡浩龙

(中国船舶科学研究中心深海科学技术太湖实验室，江苏无锡 214082)

0 引言

中、大型潜水器在研发之前，需要设计船模试验，即自航模试验，通过缩比模型试验，从而获得较为可靠的水动力参数。为此，均衡系统在自航模水下试验过程中必不可少。一般情况下，潜水器均衡系统包括浮力调节系统和纵倾平衡系统，浮力调整系统主要维持水下剩余浮力不变，纵倾平衡系统主要保持潜水器零纵倾或规定的纵倾，达到稳定安全航行的状态[1]。

在此方面，国内外研究机构、学者进行了大量研究。其中，中国船舶科学研究中心开展了大深度潜水器均衡系统研究，优化了海水泵式浮力调节系统及泵送水银式纵倾平衡系统的方案，并成功应用于“蛟龙”号[2–3]。水下AUV 主要采用皮囊式或活塞式浮力调节系统，通过油泵的吸排油，改变皮囊或活塞的体积，从而改变水下排水体积，达到浮力调节的功能[4–5]。潜艇浮力调节系统通常采用舷外自流注水，改变自身重量；纵倾平衡系统通常采用用气前后调水的方式[6–7]。

以上方案或由于介质不同，或由于浮力、纵倾相互独立，占用空间较大，均无法在自航模上应用。因此，针对自航模的工况需求，提出一种兼顾浮力调节与纵倾平衡的复杂均衡系统，即通过单个水泵及阀组实现均衡系统的过程。同时，基于AMESim 软件建立了系统模型，对均衡过程进行了仿真模拟。此外，对模拟过程中出现流量分布不均的问题进行了优化。

1 均衡系统设计

1.1 工作原理

本文提出的复杂均衡系统，其原理如图1 所示。系统主要由水泵、电磁阀组、传感器、止回阀、首尾水舱等设备组成。当系统注水时，外界水通过吸入滤器、电磁阀5，由水泵打压后，分别通过电磁阀2、电磁阀4，流入首尾水舱；当系统排水时，首尾水舱通过电磁阀1、电磁阀3，由水泵经压力计排出站体外；当需要进行尾向首调水时，电磁阀2、电磁阀3、流量计、压力计关闭，尾部水舱水经电磁阀1、水泵、电磁阀4 调入首部水舱；当需要进行首向尾调水时，电磁阀1、电磁阀4、流量计、压力计关闭，首部水舱水经电磁阀3、水泵、电磁阀2 调入尾部水舱。首尾水舱密闭，不仅承受外界海水压力，同时承受由内部水量变化引起的内压变化。

图1 均衡系统原理图Fig.1 Schematic diagram of equalization system

根据图1 均衡系统原理图可知，随着多次进行均衡后，首尾水舱的空气压力会不相等，从而使得首尾两端的负载压力不等。若当尾部水舱总背压大于首部水舱总背压时，流入尾部水舱的流量小于流入首部水舱的流量。在均衡过程中易造成过度首倾；反之，易造成过度尾倾，影响系统的运行，危及自航模航行安全。

1.2 分流集流阀流量方程

在前后水舱顶部采用通气管连接，保证两侧水舱内密闭空气压力一致，可极大减小背压不等的问题，仅存在两侧管路沿程阻力损失和局部阻力损失。但由于模型外形结构及工作方式限制，无法采用该方法，因此本文提出在分流集流处增加分流集流阀，通过分流集流阀的压力反馈，改变相应阀口的大小，从而达到流量均分的效果。

分流集流阀通过固定节流孔1、固定节流孔2 的流量Q1和Q2方程为：

式中：Cd为固定节流孔流量系数；d1和d2分别为固定节流孔1、固定节流孔2 的直径，d1=d2；P1和P2为固定节流孔1、固定节流孔2 后的压力；P0为阀前输入压力；ρ为介质密度。

若不考虑阀芯内间隙泄漏和外泄漏，通过可变节流孔A、可变节流孔B 后的分流集流阀输出流量QA和QB方程为：

式中：PA和PB为可变节流孔A、可变节流孔B出口的压力；Cd为可变节流孔流量系数；x为阀芯位移；W1和W2为可变节流孔A、可变节流孔B的面积梯度。

在均衡过程中，由于水舱处在水下一定深度，因此可认为密闭水舱内的空气温度几乎不变，忽略温度对空气的影响，单个水舱的空气压力与体积的状态方程如下：

式中：Pa1为状态1 下的空气压力；Va1为状态1 下的空气体积；Pa2为状态2 下的空气压力；Va2为状态2 下的空气体积；V为水舱容积；q为状态1 到状态2 过程中的注排水速率。

分流集流阀A、分流集流阀B口单路流量的精度方程如下：

式中，δ为分流集流精度。

由上述公式可知，当两侧水箱压力不一致时，两侧的流量也会随之不同。因此，对两侧水箱注排水的均流性能造成一定影响。

1.3 优化后的均衡系统

优化后的系统原理图如图2 所示。

图2 优化后的均衡系统Fig.2 Optimized equalization system

2 仿真模型的建立

2.1 分流集流阀模型

利用AMESim 软件，根据分流集流阀原理，建立分流集流阀子模型，如图3 所示。模型相关参数如表1 所示。

图3 分流集流阀模型Fig.3 Model of flow divider and combiner valve

表1 分流集流阀模型参数Tab.1 The parameter of flow divider and combiner valve

2.2 均衡系统模型

根据均衡系统原理，建立仿真模型，在增加分流集流阀后，为减小阀压降造成水泵输出流量的影响，在分流集流阀出口端并联可变节流孔。注排水过程中，节流孔全闭；纵倾调节过程中，节流孔全开。

3 仿真结果分析

3.1 参数设置

当自航模在均衡过程中，其深度变化不大，因此可将外界海水压力设置为0.3 MPa 固定不变。水泵流量5 L/min。同时，为更好进行均衡过程对比，采用相同工况及运行时间作为典型标准，工况顺序表如表2 所示。

表2 均衡系统工况顺序表Tab.2 The operating sequence table of equalization system

3.2 仿真结果分析

优化前系统流量如图4 所示，首尾水舱压力如图5所示。由图可知，首尾水舱初始压力均为2 bar，2 支管流量也一致，为2.5 L/min。0～50 s 注水期间，随着密闭水舱内注水，水舱内的气压逐渐升高，气压和流量并始终保持一致，在50 s 时，气压均达到2.043 bar。50～150 s 尾向首调水期间，流量保持5 L/min 不变，但此时随着尾部水舱调出水量，首部水舱调入水量，尾部水舱气压逐渐降低，首部水舱气压继续持续升高。在150 s 时，首部水舱气压升至2.233 bar，尾部水舱气压下降至1.882 bar。150～200 s 再注水期间，由于首部水舱气压大于尾部水舱气压，形成水泵和首部水舱共同向尾部水舱注水，因此初始注水速率高达16.49 L/min，同时艏部水舱气压减小，尾部水舱气压迅速增大。此阶段气压的升降并非线性，在200 s 时，首部水舱气压降低至2.116 bar，尾部水舱气压升高至2.059 bar。200～230 s 首向尾调水期间，流量继续保持5 L/min 不变，首部水舱气压减小，尾部水舱气压增大。在230 s时，首部水舱气压继续降低至2.062 bar，尾部水舱气压升高至2.113 bar。230～300 s 排水期间，两侧水舱气压不同，尾部略高于首部，因此在排水初期，排水将首先从尾部水舱排水，然后逐渐从两侧水箱同时排水，并逐渐趋向流量一致，此时随着排水时间越长，首尾水舱气压也逐渐趋于相同。

图4 优化前均衡系统流量曲线图Fig.4 Flow chart of equalization system

图5 首尾水舱空气压力曲线图Fig.5 Air pressure curve of water tanks

优化后的系统流量如图6 所示，首尾水舱压力如图7 所示。

图6 优化后均衡系统流量曲线Fig.6 Flow chart of optimized equalization system

图7 优化后水舱气压曲线图Fig.7 Air pressure curve of water tanks

由图可知，由于初始环境条件相同，0～150 s 的均衡工况与优化前完全一致。在150～200 s 再次注水过程中，由于分流集流阀的作用，注水后两侧分流的情况明显较好，不会随着水舱气压的变化而改变。此时，首部水舱支流的流量约为2.41 L/min，尾部水舱支流的流量约为2.60 L/min。在200 s 末，首部水舱气压为2.284 bar，尾部水舱气压为1.922 bar。200～230 s 首向尾调水情况与之前一致。在230 s 末，首尾水舱气压降低至2.220 bar，尾部水舱气压升高至1.969 bar。230～300 s 排水期间，分流集流阀同样具有较好的作用，从首尾水舱同时吸水排出，首部支流流量为2.44 L/min，尾部支流流量为2.56 L/min。此时，水舱气压也逐渐呈线性降低，在300 s 末，首部水舱气压为2.149 bar，尾部水舱气压降低至1.916 bar。

仿真结果表明，增加分流集流阀，明显改善了不同密闭水舱注排水流量不均的问题，单路流量分流精度达3.8%，集流精度达2.4%，满足自航模安全航行要求。