流體力學應用/Aabdoz：水下航行器設計

顧名思義，水下航行器是在水下航行的車輛，無論是否需要操作員/駕駛員的操控。水下航行器（UV）有可能徹底改變我們進入海洋的方式，以解決諸如水下搜尋和測繪、氣候變化評估、海洋生境監測和淺水水雷反制等關鍵問題。它們可以測量水的物理特性，如溫度、鹽度和溶解氧，檢測來自微觀海洋藻類的葉綠素，以及測量水中微粒的濃度，繪製海底地圖，以及收集海底和中水域的影像。它們有可能成為海洋探測和取樣的無處不在的工具。水下航行器可分為兩大類：載人水下航行器，簡稱 MUV，以及無人水下航行器，簡稱 UUV。MUV 能夠在有人員乘坐的情況下在水下執行（例如潛艇），而 UUV 則能夠在無人乘坐的情況下執行。^[1]

歷史

在中世紀，英國人威廉·伯恩於 1578 年設計了一艘原型潛艇。第一艘成功的潛艇由科內利斯·雅各布松·德雷貝爾於 1620 年建造，它可能是基於伯恩的設計。AUV 的起源可能與懷特黑德的“魚雷”自動魚雷有關。羅伯特·懷特黑德被認為於 1866 年在奧地利設計、建造並展示了第一枚魚雷。^[2] 獲得沿精確軌跡和冰下海洋學資料的需求促使華盛頓大學應用物理實驗室的斯坦·墨菲、鮑勃·弗朗索瓦，以及後來的特里·埃沃特，在 20 世紀 50 年代後期開始開發可能成為第一款“真正的”AUV 的產品。他們的工作導致了“自行式水下研究航行器”（SPURV）的開發和執行。SPURV I 於 60 年代初投入使用，並在 70 年代中期支援了研究工作。^[3]

應用

ROV 操作將減少昂貴且危險的潛水員部署。以下應用非常適合我們在近海、陸上和近岸環境中使用 ROV。所有可行的調查、檢查、監視和輕型干預工作，在以下區域的水下進行：

石油和天然氣行業
水產養殖
打撈、回收和救援
化學工業
冷卻水進水口和出水口
腐蝕和陰極測量
物體探測（防碰撞/成像聲納和側掃聲納）
取樣
水庫/大壩
圍護結構、管道、電纜
環境調查
調查沉沒物體（船隻、沉船、汽車、摩托車、飛機等）

浮力中心

浮力中心的計算是考慮到水下航行器的總體積來進行的。計算 $X_{b}$ 的公式如下

$x_{b}={\frac {(x\forall )_{thruster}+(x\forall )_{cylinder}+(x\forall )_{wings}}{(\forall _{thruster}+\forall _{cylinder}+\forall _{wings})}}$

$x$ - 每個體積到 x-z 平面的距離
$x_{b}$ - 浮力中心到 x-z 平面的距離
$\forall$ - 航行器不同部分的體積

重心

重心 (C.G) 是透過考慮每個部件相對於與 $X_{v}$ – $Z_{v}$ 平面重合的圓柱體的中心處的重量來計算的。

$x_{cg}={\frac {(xm)_{thruster}+(xm)_{cylinder}+(xm)_{wings}}{(m_{thruster}+m_{cylinder}+m_{wings})}}$

$z_{cg}={\frac {(zm)_{thruster}+(zm)_{cylinder}+(zm)_{wings}}{(m_{thruster}+m_{cylinder}+m_{wings})}}$

$x_{cg}$ –X 方向重心
$z_{cg}$ –Z 方向重心
$x$ –距離 X-Z 平面的中心距離
$z$ –距離 X-Z 平面的中心距離
$m$ –部件質量

推力方程

推力是風扇排放時透過的流體體積施加的力。基本方程如下所示：

$T_{g}=Q_{d}\times V_{d}\times \rho$

$T_{g}$ = 總推力（不包括阻力或損失）

$Q_{d}$ = 排放時空氣量

$V_{d}$ = 排放時空氣速度

$\rho$ = 流體密度

動量阻力

推力風扇的工作原理是將靜止的流體從其前方吸入，並使用風扇葉片增加壓力和速度。如果入口處的流體已經具有一定動量，則風扇無法以相同的量增加其速度，這種差異稱為動量阻力 $(D_{m})$

$D_{m}=Q_{d}\times V_{o}\times \rho$

$V_{o}$ = 自由流速度

淨推力

淨推力 $(T_{n})$ 是總推力減去動量阻力。

因此，淨推力由下式給出

$T_{n}=(Q_{d}\times V_{d}\times \rho )-(Q_{d}\times V_{o}\times \rho )$

$T_{n}=Q_{d}\times \rho (V_{d}-V_{o})$

流體量由風扇面積 $\times$ 排放速度 $(A\times V_{d})$ 給出。

  $T_{g}=V_{d}^{2}\times A\times \rho Newtons$

  $T_{n}=V_{d}\times A\times \rho (V_{d}-V_{o})Newtons$

積分法

圖中所示的控制體積已經從裝置足夠遠的地方繪製，使得壓力在任何地方都等於一個常數。這不是必需的，但它使積分動量定理的應用更加方便。我們還假設螺旋槳流管外部的流動在總壓力方面沒有變化。然後，由於流動是穩定的，我們應用

$\sum F_{x}=\int \limits _{cs}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} s$

由於壓力在任何地方都是平衡的，因此控制體積上唯一的力是由於其邊界上的動量通量變化造成的。因此，透過觀察，我們可以說

$T={\dot {m}}(u_{e}-u_{o})$

$T=\int \limits _{cs}\rho u_{x}({\vec {u}}\cdot {\vec {n}})\mathrm {d} A$

$\int \limits _{cs}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} A=\rho _{e}u_{e}A_{e}u_{e}-\rho _{o}u_{o}A_{o}u_{o}+\int \limits _{cs-A_{o}-A_{e}}u_{x}\rho {\vec {u}}\cdot {\vec {n}}\mathrm {d} A={\dot {m}}u_{e}-{\dot {m}}u_{o}+{\vec {u_{o}}}\cdot \int \limits _{cs-A_{o}-A_{e}}\rho u_{x}({\vec {u}}\cdot {\vec {n}})\mathrm {d} A$

請注意，最後一項根據質量守恆定律，完全等於零。如果螺旋槳流管進出流管的質量流量相同（正如我們所定義的），則流入控制體積其餘部分的淨質量通量也必須為零。

所以我們有

$T={\dot {m}}(u_{e}-u_{o})$

視覺分析

所示的各種流動視覺化是在 Solidworks 平臺上完成的。流動模擬使工程師能夠利用 CAD 整合、高階幾何網格劃分功能、強大的求解收斂性以及自動流動狀態確定，而不會犧牲易用性和準確性。無論是產品工程師還是 CFD 專家，藉助 SOLIDWORKS Flow Simulation 的強大功能，都可以在設計過程中預測流場、混合過程和傳熱，並直接確定壓降、舒適性引數、流體作用力和流體結構相互作用。SOLIDWORKS Flow Simulation 支援真正的並行 CFD，無需高階 CFD 專業知識。SOLIDWORKS Flow Simulation 軟體簡化了流動分析的複雜性，使工程師能夠輕鬆地模擬流體流動、傳熱和流體作用力，從而能夠研究液體或氣體流動對產品效能的影響。

參考文獻

↑ 水下航行器與國家需求，水下航行器與國家需求委員會，海洋委員會，工程與技術系統委員會，國家研究委員會，國家科學院出版社，華盛頓特區，1996 年。
↑ Ewart，T. E.，“SPURV 直線等壓執行的觀察”，聯合海洋學大會；愛丁堡（英國），1976 年 9 月 13 日。
↑ Michel，J. L.，和 Le Roux，H.，“Epulard：現在使用聲學遙控車輛進行深海底部勘測，首次執行經驗”，Oceans '81 會議記錄 1981 年 9 月 16-18 日，波士頓，馬薩諸塞州，第 99-103 頁。

[1] 水下航行器與國家需求，水下航行器與國家需求委員會，海洋委員會，工程與技術系統委員會，國家研究委員會，國家科學院出版社，華盛頓特區，1996 年。

[2] Ewart，T. E.，“SPURV 直線等壓執行的觀察”，聯合海洋學大會；愛丁堡（英國），1976 年 9 月 13 日。

[3] Michel，J. L.，和 Le Roux，H.，“Epulard：現在使用聲學遙控車輛進行深海底部勘測，首次執行經驗”，Oceans '81 會議記錄 1981 年 9 月 16-18 日，波士頓，馬薩諸塞州，第 99-103 頁。

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