بررسي عددي و تجربي اثر زاويه سطوح كنترلي بر نيروي پساي يك ربات هوشمند زيرآبي

A Numerical and Experimental Investigation of Effect of Control Surface Angle on an Autonomous Underwater Vehicle Drag

هدف پژوهش حاضر بررسي اثر تغيير زاويه سطوح كنترلي افقي (سطوح كنترلي استرن) بر ميزان نيروي درگ وارد بر ربات هوشمند زيرآبي پژوهشكده علوم و فناوري زير دريا به روش تجربي و شبيه‌سازي عددي و استخراج ضريب هيدروديناميكي مربوط به آن است. در بخش تجربي پژوهش، مدل يك به يك اين ربات درون حوضچه كشش دانشگاه صنعتي اصفهان تحت كشش با زواياي حمله مختلف براي سطوح كنترلي افقي قرار مي‌گيرد. در اين آزمون‌ها، سرعت كشش ربات در محدوده سرعت 1 تا 3 متر بر ثانيه و اتصال مدل به ارابه كشش توسط استروت‌هايي با مقطع هيدروفويل انجام شده است. در ادامه، نيرو و ضريب درگ وارد بر يك سطح كنترلي اين ربات در سرعت‌هاي كشش مختلف و نيز زواياي مختلف استرن به روش تجربي استخراج شده‌اند. در بخش عددي پژوهش، آزمون‌هاي تجربي صورت گرفته در بخش آزمايشگاهي توسط كد تجاري سي اف ايكس در سرعت 5/1 متر برثانيه شبيه‌سازي و نتايج حاصل از آن با نتايج تجربي مقايسه شده‌اند. در اين مقاله نشان داده شده است كه تغييرات نيروي پسا و ضريب نيروي پساي ربات نسبت به زاويه استرن به‌صورت يك منحني درجه دوم قابل تخمين است و ضريب هيدروديناميكي مرتبط با آن، به دو روش تجربي و عددي استخراج شده است. تطابق خوب نتايج حاصل از دو روش نشان داد كه ميتوان روش‌هاي عددي را در محدوده سرعت‌هاي مورد بررسي جايگزين روش‌هاي پر هزينه تجربي كرد. نتايج حاصله نشان داد كه در سرعت 5/1 متر برثانيه با افزايش زاويه سطوح كنترلي به 45 درجه ضريب درگ 174 درصد افزايش مي‌يابد.

In this paper the effect of horizontal control surfaces (stern fins) angle on the drag force of the Subsea R&D Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is investigated using both experimental fluids dynamic and numerical fluids dynamic methods. The experiments were conducted in the Subsea R&D towing tank using a 1:1 scale model of the AUV at various stern angles, and in a speed range of 1 to 3 m/s. A pair of NACA shaped struts was used to connect the AUV to the carriage dynamometer. The stern drag force was experimentally calculated at various stern angles and towing speeds. The results obtained by experimental method were compared with those obtained numerically by commercial computational fluid dynamics CFX code. Both experimental and numerical results showed that as the stern angle increases, the total AUV drag force increases, and the drag force coefficient can be estimated by a second order polynomial. The results showed that, at a speed of 1.5m/s, as the stern angle increases to 45 degrees, the drag coefficient increases up to 174 percent It was also observed that at a specific stern angle, the drag force due to stern fin increases with the AUV speed. Variation of axial force as a function of stern angle was determined by using both experimental and numerical methods. The results obtained by both methods showed that the expensive experiments conducted in towing tanks can be replaced by numerical simulations.