[发明专利]一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法

说明书

本发明公开了一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法，通过理论推导得出各个附加质量项与理想流体作用力和力矩的关系，对航行器跨越自由液面的过程建立流场数值模型，设定两组速度相同、加速度相反的运动规律分别计算，并对航行器表面的压强进行积分获取表面受力情况，最后采用推导出的求解公式得到附加质量，以提供一种新型的，适用于跨越自由液面过程中的附加质量求解方法。

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法。

背景技术

随着海洋工程的兴起，人们对船舶和海洋结构物在水中运动时所受的流体动力的研究越来越深入，而这些实际工程中存在大量的流固耦合问题，而在求解流固耦合系统的响应、稳定性时，经常涉及到附加质量的求解。

物体在流体中变速运动，推动物体的理不仅仅要为增加物体的动能做功，还要为增加周围流体的动能做功，因此具有一定质量的物体要获得加速度，施加在它上面的力将大于物体质量与加速度的乘积，增加的这部分质量就是附加质量。

目前，附加质量的求解主要通过三种方法：1)利用细长体假设及切片理论进行求解，但此方法有很大的局限性，只适用于长径比大且外形简单的物体。2)采用基于势流理论的数值方法进行求解，此方法尽管精度比较高，但计算复杂且耗时较长。3)通过实验方法得到附加质量，实验得到的结果更加真实，但实验条件要求较高，且目前关于跨越自由液面中航行器附加质量的实验都还难以实施。

发明内容

本发明的目的是提供一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法，以提供一种新型的，适用于跨越自由液面过程中的附加质量求解方法。

本发明采用以下技术方案：一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法，通过理论推导得出各个附加质量项与理想流体作用力和力矩的关系，对航行器跨越自由液面的过程建立流场数值模型，设定两组速度相同、加速度相反的运动规律分别计算，并对航行器表面的压强进行积分获取表面受力情况，最后采用推导出的求解公式得到附加质量。

进一步的，具体实现方法步骤如下：

步骤1、根据流体的势流理论，只考虑航行器在xOy平面的运动，通过设置不同特定初始运动状态，进而联合推导得出航行器介质跨越过程中附加质量和附加质量变化率的求解公式：

其中，F_ix、F_iy分别为理想流体作用力在弹体坐标系x轴、y轴方向的分量，M_iz为理想流体动力绕z轴的转动力矩，λ₁₁、λ₂₂、λ₂₆、λ₆₆为附加质量，为附加质量变化率，v_x、v_y、分别为x轴、y轴方向上的速度和加速度；F_ix+、F_ix-为理想流体作用力在弹体坐标系沿x轴方向上正、负方向的分量；、F_iy+、F_iy-为理想流体作用力在弹体坐标系沿y轴方向上正、负方向的分量；M_iy+、M_iy-为理想流体作用力在弹体坐标系航行器沿y轴正、负方向运动产生的力矩；M_iz+、M_iz-为理想流体作用力在弹体坐标系航行器沿绕z轴逆时针、顺时针转动产生的力矩；

步骤2、构建航行器跨越自由液面运动过程的流场数值模型；

步骤3、任意设定两组速度相同、加速度相反的初始计算条件，即[υ,υ′,ω,ω′]和[υ,-υ′,ω,-ω′]，采用步骤2构建的数值模型分别进行仿真计算，得到航行器表面压强；