0-92159

نشریه مهندسی دریــا سال سیزدهم/ شماره52/ بهار و تابستان 6931 )16-62(

ارزیابی مشتقات هیدرودینامیکی AUV با استفاده از مدل سازی مانورهای پایه در تونل آب

نوروزمحمد نوری 1*، کریم مصطفی پور2، یوسف حبیبی سوها 3 ، سید حسن حسن پور 4

استاد، دانشگاه علم و صنعت ایران؛ mnouri@iust.ac.ir
دکتری، دانشگاه علم و صنعت ایران؛ mostafapour@alumni.iust.ac.ir 3 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه علم و صنعت ایران؛ habibisooha@mecheng.iust.ac.ir
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

4 کارشناس ارشد، دانشگاه علم وصنعت ایران؛ h_hassanpour@yahoo.com اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

ضرایب یا مشتقات هیدرودینامیکی وسایل زیرسطحی خودکنترل در توسعه آنها نقش بسزایی دارند .مرسومترینروش تخمین این مشتقات، انجام تستهای مدل کپتیو از قبیل تستهای مستقیمالخط و تستهای مکانیزم حرکتصفحهای در تانکهای کشش میباشد. هدف از این مقاله ارزیابی مشتقات هیدرودینامیکی وسایل زیرسطحیخودکنترل با استفاده از مدل سازی مانورهای پایه در تونل آب می باشد. اندازهگیری نیرو و گشتاورها در تست هایمدلی با یک بالانس شش مولفهای انجام شده است. پیاده سازی مانورهای پایه مورد نیاز جهت تخمین مشتقاتهیدرودینامیکی با استفاده از یک سیستم طراحی شده انجام شده است. با انجام تست های متفاوت، محدوده مناسبانتخاب پارامترها در تونل جهت تخمین مشتقات هیدرودینامیکی ارایه شده است .همچنین با انجام این تست ها درتونل آب، خطای های ناشی از محدودیت دروه زمانی انجام تست ها و اثرات امواج سطحی در تانک کشش برایوسایل زیرسطحی خودکنترل باکاربرد در آبهای عمیق حذف می شود. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 76/71/6932 تاریخ پذیرش مقاله: 61/73/6932

کلمات کلیدی:
مکانیزم حرکت صفحه ای مشتقات هیدرودینامیکی تونل آب
تستهای دینامیکی و استاتیکی

Investigation of Hydrodynamic Derivatives of an AUV Based on the Water Tunnel Testing Maneuvers

Norouz Mohammad Nouri1*, Karim Mostafapour2, Yousef Habibi Sooha3, Seyyed Hassan Hassanpour4

Professor of Mechanical Engineering Department, Iran University of Science and Technology; mnouri@iust.ac.ir
PhD of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; mostafapour@iust.ac.ir
MSc Student of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; habibisooha@mecheng.iust.ac.ir
MSc of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology; h_hassanpour@mecheng.iust.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 28 Aug. 2016
Accepted: 4 Dec. 2016
Coefficients or hydrodynamic derivatives of autonomous underwater vehicles play a key role in their development. The most popular way for the estimation of coefficient is to implement captive model tests such as straight line tests and planar motion mechanism tests in towing tanks. In this paper, investigation of hydrodynamic

Keywords:
Hydrodynamic Derivatives planar motion mechanism water tunnel
static and dynamic tests

derivatives was performed based on the water tunnel maneuvers. Forces and moments are measured by a six-component strain gauge balance. The developed apparatus was used for performing the planar motion mechanism tests of the water tunnel. By conducting such tests in a water tunnel, the appropriate range of parameters to estimate the hydrodynamic derivatives was provided. Also, by doing such tests in water tunnel, errors related to the time limitation of tests and the effects of surface waves in towing tank of autonomous underwater vehicles, applied in deep seas, are eliminated.

16
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

1 – مقدمه
تمایل به تحقیق و توسعه در زمینه وسایل زیرسطحی خودکنترل )AUV(6 به دلیل کاربرد این وسایل در اکتشافات دریایی، بررسی هیدروگرافی و عملیات دفاعی در سالهای اخیر افزایش یافته است. مشخصات کنترل و پایداری AUV ها بوسیله حل کردن معادلات مانورینگ حرکت فهمیده می شود. در این معادلات نیروها و گشتاورها هیدرودینامیکی با استفاده از بسط تیلور بصورت تابعی از پارامترهای سینماتیکی AUV و یک سری ثوابت تحت عنوان ضرایب یا مشتقات هیدرودینامیکی بیان می شوند. این ثوابت به دو دسته مشتقات ناشی از سرعت و شتاب حرکت AUV تقسیم بندی می شوند. مشتقات مربوط به سرعت و شتاب، نیروها و گشتاوری های هیدرودینامیکی را به ترتیب به سرعت و شتاب زوایه ای و خطی AUV مربوط می کنند. تخمین دقیق و قابل اعتماد این مشتقات برای شبیه سازی عملکرد دینامیکی AUV مهم می باشند. قابل اعتمادترین روش برای تخمین مشتقات هیدرودینامیکی استفاده از روشهای تجربی می باشد .مرسومترین روش تخمین این مشتقات ،انجام تستهای مدل کپتیو5 از قبیل تستهای مستقیمالخط9 و تستهای مکانیزم حرکت صفحهای (PMM) 1 در تانکهای کشش2 میباشد. ]5،6[. این تست ها شامل تست های مستقیم خط، تست های بازوی چرخان1 و تست های مکانیزم حرکت صفحه ای هستند .
تست های استاتیکی مستقیم الخط جهت تخمین مشتقات خطی و غیر خطی ناشی از سرعت خطی کاربرد دارند. در بین تست های مدل دینامیکی تست های هارمونیک PMM بیشترین مزیت به دلیل قابلیت فراهم آوردن داده های مناسب جهت تخمین همزمان مشتقات وابسته به سرعت و شتاب را دارند.
16
در تستهای PMM، مدل در صفحه افقی با مدهای مختلف حرکت ،نوسان میکند و همزمان با حرکت در صفحه افقی با سرعت ثابت در طول تانک کشیده میشود. در تستهای PMM تانک کشش ،حرکت اسوی خالص7 جهت تخمین مشتقات ناشی از سرعت و شتاب خطی و حرکت یاو خالص8 جهت تخمین مشتقات ناشی از سرعت و شتاب زاویهای کاربرد دارند. ازنظر تاریخی اولین بار هورن و والینسکی9 ]9[ یک جفت لنگ01 با قطر 17 سانتیمتر برای تولید حرکتهای اسوی و یاو خالص مدل کشتی کپتیو در برلین استفاده کردند. بعد از آنها گتلر و گودمن00 ]1[ کلمه PMM برای نامگذاری نوسانگر لنگ لغزنده با قطر inch 5 که برای تستهای AUV در DTMB01 طراحی شده بود استفاده کردند ]2-6[. در سالهای اخیر تخمین تجربی مشتقات هیدرودینامیکی بر پایه تستهای PMM ]6-67[ و همچنین تأثیرپذیری آنها از مشخصات وسیله ]66-61[ موردتحقیق محققان متعددی بوده است. انجام تست های PMM برای AUV ها در تانک کشش دارای چندین محدودیت می باشد .از معایب این تست ها برای AUV باکاربرد در آبهای عمیق، دروه زمانی محدود برای انجام تست ها و اثرات امواج سطحی روی پامتراهای اندازه گیری را می توان نام برد. طول محدود تانک کشش فرکانس های تست های حرکت نوسانی را محدود می کند. هر دو سرعت های پایین و فرکانس های بالا جهت تخمین مشتقات هیدرودینامیکی مورد نیاز می باشد. محدودیت زمان تست باعث کاهش دقت و افزایش زمان برنامه تست می شود. برای غلبه بر محدودیت دوره زمانی تست ها 01DSTO با همکاری AMERC61 یک نوع PMM را برای کانال آب چرخشی 62(CWC) توسعه داده اند] 66[. با توجه به اینکه در کانال آب ، جریان آب با فرض یکنواختی در مدت زمان تست بطور پیوسته از روی مدل عبور می کند. محدودیت زمانی برای تست وجود نخواهد داشت. از معایب این تست ها اثرات امواج سطحی، محدودیت ایجاد سرعت یکنواخت در مدت زمان تست می باشد. همچنین غیریکنواختی مکانی سرعت و قابل کنترل نبودن سطح توربولانس در جریان ورودی مشکلات بزرگی روی تست های PMM در CWC تحمیل می کند. برای غلبه بر این مشکلات تونل آب می تواند به عنوان یک گزینه مناسب مطرح باشد. تونل آب یکی از تجهیزات تجربی می باشد که برای بررسی رفتار هیدرودینامیکی مدل های AUV کاربرد دارد. در تونل های آب به جای حرکت مدل در تانک کشش، جریان آب در یک مدار بسته سیرکوله می شود. به دلیل احاطه جریان توسط دیواره های تونل آب، از اثرات امواج سطحی صرف نظر می شود. ابعاد تونل آب نسبت به تانک کشش کوچک می باشد. بنابراین مدل های مقیاس شده کوچکتری نسب به تانک کشش و CWC استفاده می شود. از طرفی در مکانیزم های PMM تانک کشش از دو نوسانگر هارمونیک که یکی در جلو و دیگری در عقب نسبت به مرکز جرم مدل AUV قرار گرفته اند استفاده می شود. بنابراین تاثیری پذیری الگوی جریان مدل AUV از نوسانگر ها عملا استفاده از مکانیزم مشابه در تانک کشش و CWC را غیرممکن می سازد.
هدف از این مقاله ارزیابی مشتقات هیدرودینامیکی AUV با استفاده از مدل سازی مانورهای پایه در تونل آب می باشد. در این مقاله ابتدا معادلات ریاضی مانورهای مستقیم الخط و PMM در تونل آب جهت تخمین مشتقات هیدرودینامیکی AUV ارایه شده است. در بخش دوم تجهیزات توسعه داده شده برای تونل آب جهت تخمین مشتقات هیدرودینامیکی تشریح شده است. نهایتا نتایج مربوط به ارزیابی مشتقات هیدرودینامیکی یک مدل AUV در تونل آب ارایه شده است.

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

2 – مدل AUV و انواع تست ها
به منظور محاسبه مشتقات هیدرودینامیکی یک وسیله AUV می-بایست معادلات حاکم بر دینامیک جسم صلب آن را استخراج کرد ]66[. زیرسطحی هیدرولب277 یک AUV با طراحی بهینه می-باشد که بمنظور انجام کارهای تحقیقاتی در دانشگاه علم و صنعت ایران طراحی و ساخته شده است. هیدرولب 277 بوسیله چهار رادار قرار گرفته شده به صورت صلیبی شکل در انتهای آن کنترل می شود. هیدرولب 277 در شکل 6 نشان شده است. برای توصیف معادلات دینامیکی مدل از دو سیستم مختصات ثابت فضا و ثابت به بدنه استفاده می شود. با فرض حرکت جسم فقط در صفحه XB-ZB معادلات حرکت به صورت زیر بیان میشوند ]63[ :
63397272396

X  mu )6(
632798-25527

Z  mw m x q. G  (m.U)q )5(

M  (m x. G )w (Iy )q(m x U q. G. ). )9(

28047992899

wو w سرعت و شتاب خطی ،q و q به ترتیب سرعت و شتاب زاویهای میباشند.U سرعت اولیه،m جرم و Iyy اینرسی قطری حول محور اصلی قرارگرفته در مرکز گرانش AUV میباشد.X ، Z وM نیروها و گشتاورهای خارجی وارد بر جسم در دستگاه راستگرد را نشان میدهد. این نیروها و گشتاورها به نیروها و گشتاورهای هیدرو استاتیک، کنترل، پیشرانش و هیدرودینامیک تقسیمبندی میشوند. در معادلات دینامیکی نیروها و گشتاورهای هیدرودینامیکی به کمک بسط تیلور بهصورت تابعی از پارامترهای سینماتیکی و یک سری ثوابت تحت عنوان ضرایب یا مشتقات هیدرودینامیکی میشوند. نیروی هیو و گشتاور پیچ ناشی از تأثیرات هیدرودینامیکی جریان برابر است با:

(
1
)

|
|
||
|
|
H
w
w
ww
q
q
qq
qq
Z
Zq
Zq


(
2
)

|
|
||
|
|
|
|
ww
w
w
H
q
q
qq
ww
Mw
Mw
M
M
Mq
Mq
qq
M





مشتقات

w
Z
،
ww
Z
،
w
M

و
ww
M

استفاده
از

با

تست
ها
ی

مستق
ی
م
الخط

و
مشتقات
w
M
،
w
M
،
w
Z
،
w
Z

و
q
M
،
q
M
،

(



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید