[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种针对通用潜艇（Joubert BB2）的降阶模型（ROM），通过仅基于CFD模拟获得的系数，整合了波浪和深度效应。该ROM能够精确复现近表面复杂6自由度机动，其结果与全尺寸CFD模拟高度一致，验证了其在快速控制器开发与路径规划中模拟真实水动力条件的适用性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效且精确的潜艇近表面运动水动力模型。
• 解决低速、浅水操作中因波浪效应和自由表面接近导致的操控性下降问题。
• 通过替代早期开发阶段昂贵的CFD模拟或实验测试，构建一种支持快速控制器设计与路径规划的ROM。
• 通过基于CFD的系数校准，将波浪引起的附加质量和水动力效应纳入ROM。
• 通过复杂路径跟踪机动（包括通过浸入边界法模拟的壁面相互作用）的高保真CFD模拟，验证ROM的准确性。

提出的方法

• 使用爱荷华大学开发的REX CFD求解器，对Joubert BB2潜艇在多种运动工况下进行模拟。
• 从CFD结果中提取关键运动（包括纵漂、横漂、垂荡、横摇、纵摇和偏航）的水动力系数（如阻力、升力、附加质量）。
• 在经典Gertler和Hagen HDM基础上，引入X形尾舵和平面波效应（如自由表面和附加质量贡献）进行更新。
• 在MATLAB/Simulink中实现ROM，实现开源使用，支持快速仿真与控制器测试。
• 在CFD中应用浸入边界法，模拟水深约束并评估边界相互作用的影响。
• 利用先前研究（Carrica et al., 2019, 2021a）的实验数据和CFD结果对ROM进行校准与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于CFD的ROM能否准确捕捉潜艇在自由表面附近的水动力行为，包括波浪与深度效应？
• RQ2 与高保真CFD模拟相比，ROM在复现复杂6自由度路径跟踪机动方面表现如何？
• RQ3 通过浸入边界法建模时，壁面相互作用（如峡谷水深）对车辆轨迹与控制器性能有何影响？
• RQ4 当使用ROM与CFD时，自适应控制策略在跟踪误差与指令一致性方面的表现如何？
• RQ5 与传统半经验或实验方法相比，基于CFD的系数在多大程度上提升了ROM的准确性？

主要发现

• ROM生成的轨迹与误差曲线与CFD模拟高度一致，尤其在垂直与水平误差的极值点上匹配良好。
• ROM与CFD中控制器的指令历史几乎完全相同，表明尽管误差动态存在差异，但执行动作保持一致。
• 控制器自适应调整可降低垂直跟踪误差，但略微增加水平误差，提示仍有进一步优化空间。
• CFD模拟中壁面相互作用效应微弱，可能源于背景网格分辨率不足，表现为浸入边界附近压力场传递有限。
• 该模型成功捕捉了主要水动力项，如船体漂移、控制面阻力与升力以及推进力，次要项的建模工作仍在进行中。
• ROM中引入自由表面与波浪效应，实现了表面机动的真实模拟，这是以往模型的关键局限。