[論文レビュー] Reduced Order Model of a Generic Submarine for Maneuvering Near the Surface

J. Ezequiel Martín, Maxwell Hammond+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2022

Ship Hydrodynamics and Maneuverability被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、CFDシミュレーションから得た係数のみを用いて波動および水深効果を組み込んだ、一般化された潜水艦（Joubert BB2）の低次元モデル（ROM）を提示する。このROMは、表面近くの複雑な6自由度（6DoF）運動を正確に再現でき、フルCFDシミュレーションと密接に一致する結果を示しており、現実の水動的条件下での迅速な制御系開発および経路計画に有効であることが検証された。

ABSTRACT

A reduced order model of a generic submarine is presented. Computational fluid dynamics (CFD) results are used to create and validate a model that includes depth dependence and the effect of waves on the craft. The model and the procedure to obtain its coefficients are discussed, and examples of the data used to obtain the model coefficients are presented. An example of operation following a complex path is presented and results from the reduced order model are compared to those from an equivalent CFD calculation. The controller implemented to complete these maneuvers is also presented.

研究の動機と目的

• 表面近くの潜水艦の航行を対象とした、計算効率的かつ高精度な水動的モデルの開発。
• 低速・浅水域における操縦性の低下を、波動効果および自由表面に近い状態の影響としてモデル化する課題への対応。
• 高価なCFDや実験的試験を早期段階で置き換えることで、迅速な制御系設計および経路計画を可能にするROMの構築。
• CFDベースの係数キャリブレーションを通じて、波動誘発加速度質量および水動的効果をROMに組み込み。
• 浸漬境界法を用いた高精度CFDシミュレーションと比較して、複雑な経路追従運動（壁との相互作用を含む）に対するROMの妥当性を検証。

提案手法

• アイオワ大学で開発されたCFDソルバREXを用い、Joubert BB2潜水艦の広範な運動条件をシミュレート。
• サーブ、スウェイ、ヘーブ、ロール、ピッチ、ヨーなどの主要な運動に対応する水動的係数（抵抗、揚力、加速度質量など）をCFD結果から抽出。
• 古典的GertlerとHagenのHDMを、X字型のテールプレーンおよび自由表面や加速度質量寄与を含む波動効果を新たに組み込むことで更新。
• MATLAB/SimulinkにROMを実装し、オープンアクセスを可能にすることで、高速シミュレーションおよび制御系テストを可能に。
• 海底地形制約のシミュレーションおよび境界相互作用効果の評価のため、CFDで浸漬境界法を適用。
• 先行研究（Carrica et al., 2019, 2021a）の実験データおよびCFD結果を用いて、ROMのキャリブレーションと妥当性検証を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CFDから導出されたROMは、自由表面に近い状態における波動および水深効果を含めた潜水艦の水動的挙動を正確に捉えられるか？
• RQ2 複雑な6DoF経路追従運動について、ROMは高精度CFDシミュレーションと比較してどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 浸漬境界法を用いてモデル化された壁相互作用（例：峡谷の海底地形）が、車両の軌道および制御系性能に与える影響は何か？
• RQ4 適応制御戦略をROMとCFDの両方で適用した場合、追従誤差およびコマンドの一貫性という観点で、性能にどのような差が生じるか？
• RQ5 従来の半経験的または実験的手法と比較して、CFDベースの係数がROMの精度をどの程度向上させるか？

主な発見

• ROMはCFDシミュレーションと強く一致する軌道および誤差プロファイルを生成しており、特に垂直方向および水平方向誤差の極値をよく再現している。
• ROMとCFDの両方で制御系のコマンド履歴がほぼ同一であるため、誤差ダイナミクスの違いにもかかわらず、一貫した制御入力が得られている。
• 制御系の適応機構により垂直方向の追従誤差は低減されるが、水平方向の誤差はわずかに増加する傾向にあり、さらなる最適化の余地がある。
• CFDシミュレーションにおける壁相互作用は弱く、背景グリッドの粗さに起因すると考えられ、浸漬境界付近での圧力場伝達が限定的であることが示唆された。
• 主な水動的項（船体の漂流、制御面の抵抗および揚力、推進力）を効果的に捉えられており、二次的項の検討は継続中である。
• 自由表面および波動効果をROMに組み込むことで、表面航行の現実的なシミュレーションが可能となり、従来のモデルが抱える主な制限が克服された。