Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА либо ROV – remotely-operated vehicle) часто используются в операциях для составления карт морского дна, выявления поломок трубопроводов и прокладки трасс, доставки полезной нагрузки, технического обслуживания нефтегазового оборудования (такого как превенторы на скважинах и фонтанные елки).
Подводная среда создает различные проблемы для разработчиков роботизированных аппаратов. Кроме вопросов прочности конструкции под высоким давлением, достаточно сложной задачей является оценка динамики движения аппарата при наличии всех 6 степеней свободы.
Большинство телеуправляемых аппаратов не являются столь симметричными, как, скажем, торпеды. Любой обтекающий аппарат поток создает несбалансированные гидродинамические силы, которые вызывают движение по каналам тангажа, крена и рыскания. Эти движения мешают стабилизации положения аппарата, который, как правило, должен быть максимально неподвижным для выполнения подводных работ, нередко требующих высокой точности позиционирования.
В первую очередь при проектировании ТНПА нужно определить его гидродинамические характеристики внешнего обтекания.
Гидродинамические характеристики входят в уравнения движения в виде трёх важных параметров: присоединенная масса, линейные и квадратичные коэффициенты затухания. Коэффициент присоединенной массы может быть получен экспериментально (например, с помощью динамических испытаний на свободном подвесе). Линейные и квадратичные коэффициенты затухания могут быть получены из зависимостей силы сопротивления от скорости, которые обычно получают для поступательных движений в трёх направлениях: продольный и боковой сносы, движение вверх-вниз. Определение коэффициентов затухання по зависимостям силы сопротивления от скорости, полученным в CFD расчёте (computational fluid dynamics – численный расчёт гидродинамики), гораздо более эффективно в сравнении с громоздким натурным экспериментом, занимающим много времени. Коэффициенты затухания восстанавливаются из полученных зависимостей с помощью аппроксимации полиномом второй степени.
Расчётная среда ANSYS Workbench построена с упором на параметризацию и оптимизационные расчёты. Для получения зависимости силы сопротивления от скорости для ТНПА достаточно задать скорость потока в качестве входного параметра и силу сопротивления – в качестве выходного. ANSYS Workbench автоматически произведет CFD расчёты для заданного диапазона параметров и построит требуемую зависимость. Такая степень автоматизации существенно повышает производительность труда инженеров. ANSYS CFD также может быть использован для анализа 3D-картины обтекания ТНПА с целью оптимизации формы и увеличения максимальной скорости при сниженной тяге.
Подводя итоги, стоит отметить, что ANSYS CFD помогает ускорить и удешевить процесс проектирования подводных дистанционно управляемых аппаратов, которые будут обладать лучшими характеристики и требовать меньших операционных расходов. Больше информации по этой теме вы можете найти на страничке, посвященной нефтегазовой отрасли.
Автор: Yeong-Yan Perng
Источник: http://www.ansys-blog.com/design-subsea-rov-faster-cfd/
