水下航行器的案例
基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析
摘 要：針對水下航行器的鋰電池組發熱問題，利用ANSYS Icepak軟件對不同散熱條件下的電池艙段內溫度氣流分布情況進行了仿真分析。結果表明：相比于艙內空氣自然對流冷卻，使用風冷散熱可大幅降低電池組平均溫度，并改善電芯之間的溫差，有利于提高電池組的環境適應性和放電功率，進而提升水下航行器的安全性和可靠性。
關鍵詞：鋰電池;Icepak;散熱仿真;水下航行器溫度場;
0 引言
隨著鋰電池的蓬勃發展，水下航行器越來越多的使用鋰電池作為動力能源。為滿足水下航行器的能量和功率需求，鋰電池組常采用單體密堆積方式成組，且水下航行器的電池艙段為密封環境，鋰電池組長時間高倍率放電所產生的熱量容易積累，導致部分單體電池溫度過高，發生內短路，進而引發熱失控[1]。因此，對水下航行器的電池艙段進行散熱設計及仿真分析，對保證水中裝備鋰電池組的安全可靠工作具備重要意義。
本文以水下航行器電池艙段為研究對象，利用Icepak有限元分析軟件對不同條件下艙內空氣自然對流散熱和風冷散熱的電池艙段溫度場進行數值模擬，得到不同風機功率、風機方向、電池單元間隙條件下電池艙段內部的溫度氣流分布，分析了電池艙段內部傳熱特性，并研究了影響電池艙段溫度場的主要因素。
1 計算模型
1.1 模型簡化
水下航行器電池艙段一般較長，電池艙段內沿軸向的熱量傳遞極少，為節約計算時間，將電池艙段的熱仿真簡化電池模塊艙段熱仿真分析。此外，電池艙段內各種螺釘、導線和鋁合金外框等對電池溫度場的影響很小，故在熱仿真分析時也將其省略。電池模塊由8個電池單元堆積組成，電池單元由8個單體電芯串聯組成，對64個電芯從左下方開始，順時針依次編號，電池模塊艙段模型及電芯標號如圖1所示。
展開 基于模型的系統工程（MBSE）在水下航行器設計及陸地試驗過程中的典型應用
綜上所述，MBSE在水下航行器設計過程中具有重要的作用。它可以提供全面的設計優化和評估手段，促進不同學科領域的合作，提高水下航行器的性能、可靠性和安全性。
MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（上）
圖1.自主水下航行器（AUV）的自主架構模塊定義圖
根據上述AUV動態和控制架構，以及第2節中描述的HDS的定義，AUV控制器可以被視為HDS，其動態行為可以通過HA建模，并通過視線（LOS）導航性實現。
文章來源：創景科技
Raise3D助力北極全球變暖研究中的自主水下航行器開發
從陽光普照的圣迭戈水域到寒冷深邃的北極，Yonder Deep的自主水下航行器證明了3D打印的變革潛力，使他們能夠輕松地克服挑戰，突破界限，并在未知的水域中航行。
▲利用3D打印的力量，革新相關領域
自主水下航行器 (AUV) | 近實時仿真與控制助力實現水下機動航行
同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對大型載人航行器來說太危險或根本無法嘗試的許多應用領域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產養殖自動化，這些應用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達目標位置。航行器一旦到達目標位置，可能就需要執行敏捷操縱（即水下機動航行），以采集圖像、視頻和其他重要數據。
受諸多因素的影響，開發這些 AUV 的控制算法錯綜復雜。其中，最嚴峻的挑戰是無線電信號在水中會發生衰減，這使得 AUV 在深海遠程作業時無法可靠地接收 GPS 或通迅信號。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業能力就顯得愈加重要。
瑞典皇家理工學院的團隊研究了控制策略，通過最大限度地降低能耗，使AUV 完成時間更長、更復雜的任務成為了可能。
借助 MATLAB? 和 Simulink?，使用基于模型的設計，對開發的控制算法進行了仿真、優化與實現。這種方法可以先通過仿真快速開發和評估算法，然后在機動航行的 AUV SAM（圖 1）上，對這些算法進行現場測試，從而加快研究步伐。
圖 1. SAM AUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學院的海洋機器人中心設計的。
AUV 設計中的工程權衡
采用就地懸停設計的 AUV，通常搭載多個推進器，這使得 AUV 體積龐大，因而無法輕松完成遠距離航行。另一方面，雖然細長型 AUV 的航程更遠，但受限于形狀，再加之缺乏多個推進器，這些 AUV 在到達目標位置后，更難懸停或使攝像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標。
展開 案例 | 基于CFD仿真的潛航器不同航行狀態下阻力特性模擬與評估
1、簡述
水下航行器（UUV）作為一種海洋探測裝備，具備體積小、隱身性好、機動性強、成本低和可組網等優點。這些特點使得它們在海洋探索、科學研究、軍事偵察等領域發揮著重要作用，其在現代海洋探測和軍事領域中占據著越來越重要的地位。
水下航行器在航行時，會受到水流的阻力，其在航行過程中的阻力性能會影響其快速性, 水下航行器的快速性是評價其綜合航行性能的一項重要戰術技術指標。隨著各種反潛設備的發展，水下航行器的航行安全問題不容忽視，提高航行器的快速性已經成為各國重要的軍事研究課題，因而對其阻力的預報精度也有了更高的要求，suboff潛艇作為一種常見的水下航行器模型，曾在國際上被各大海洋強國進行充分的實驗與數值模擬研究，本文以suboff模型對水下航行器阻力計算展開介紹。
2、計算方法
2.1幾何模型
在本研究中，在數值模擬中主要考慮的模型為全附體 SUBOFF 模型（配置8）[1]。設計的 CAD 模型的尺寸如圖1所示。SUBOFF 模型是一個軸對稱船體，總長度為 4.356 m，等直段最大直徑 D 為 0.508 m。SUBOFF 型號在船體上方有一個艦橋，其前緣位于距船頭 0.924 米（1.820D）處，后緣距離 1.293 米（2.545D），因此艦橋的總長度為 0.368 米（0.724D）。船尾有四個相同的附件，呈“十”字形布置（垂直和水平控制平面）。
圖 1 具有完全附體suboff潛艇模型/側視圖（左）和正視圖（右）
2.2 數值方法
在本研究中，數值模擬的湍流雷諾數均在107以上，采用了RANS方程求解，其以笛卡爾張量形式書寫的連續性和動量方程分別如下：
其中，ρ 是體積分數平均密度；u 是流動速度，可以分解為均值 和波動分量u’；p 是壓力項；μ 是動力粘度。
展開 當代無人駕駛水下航行器的推進器設計
從載具推進的物理學角度來看，無人駕駛水下航行器(UUV)與滑雪艇或者油輪幾乎沒有什么不同。它采用了航行器-推進器-驅動的系統模型，該模型通過推進器將驅動能量轉化為推力，以達到推動航行器移動的目的。推力平衡和運動的基本原理對這三種載具都是共同的，即旋轉能量被系統的中心部件推進器轉化為軸向推力。
不同類型載具的推進器設計所不同的是基于載具各自任務所特有的設計約束和目標。例如，一艘滑雪艇在拖曳速度下可能需要高推力，并愿意放棄潛在的最高速度以達到這一任務要求，它的傳動比和推進器特性就是為此而設計的。為了獲得最大的經濟回報，油輪可能需要以“經濟速度”獲得最大的效率。或者，它可能還會額外限制排放或燃料消耗，這就要求在推進器的設計上做出妥協。
考慮到相關的各種任務，水下航行器有其自己的一套推進器設計要求，如電池壽命(或電池容量下運行的最大距離)，最大直徑，最小運行速度，從水動力效率或安全角度考慮是否采用導流管式螺旋槳，同時也考慮到可以減少噪聲，確保安靜地進行數據收集任務。這些設計要求是HydroComp公司進行UUV推進器設計工作時的思考，這些思考來源于一個成功的設計項目，是在和客戶深度溝通設計需求和信息的過程中形成的。航行器-推進器-驅動模型是進行此類設計討論的一個很好的框架。
航行器
典型的UUV是一種回旋體外形(也稱為軸對稱形式)，它有一個鼻子、身體和尾巴。為了裝配設備的內部容積最大化，一些航行器的首部和尾部非常短。正如你可能預料到的，這樣的首部必然會造成阻力的增加，由于流體進入推進器不是沿著軸向而是有一定的斜度，也會損失一定的推進性能。不同的阻力成分，如興波阻力或壓阻力和摩擦阻力或粘性阻力之間的平衡是我們工作的一部分，往往希望得到最小的阻力體積比，事實上，這并不能完全實現。
展開 一種變軸螺旋槳水空跨域無人航行器設計和控制技術
圖2 水空無人機航行控制系統結構框圖
Fig.2 Structure block diagram of the navigation control system of the water-air UAV
2 水下無人航行器形態與控制
本文無人航行器在水下主要執行的任務是對海洋養殖物、海洋水下環境、水雷、無人水下航行器等的監測。因此，僅要求無人航行器在水下懸停或慢速巡察。為此，本無人航行器在水下主要需控制姿態與位置，以及慢速航行，其主要應能保持浮沉穩定和克服航行阻力。鑒于此，無人航行器水下基本形態為：機身下部為弧形三角截面體，有利于橫向穩定和從空中入水穩定；機身上部為近似矩形截面體，機身前后艙為密封空倉產生一定的浮力。本無人航行器動力系統為特殊設計：機身前部有橫桿支撐兩側各一個空氣螺旋槳及其驅動電機和傾轉機構；機身后部中間設置有一個空氣螺旋槳；機身尾后設置了一個水下推進螺旋槳。機身尾部設置有方向舵和升降舵（水下與空中公用）。
從圖3可以看到，機翼設置為可折疊的上單翼；尾部有可全動垂直尾翼（方向舵）和高平尾（升降舵）。機尾設置為典型的三葉水推進螺旋槳。空氣螺旋槳安裝在機身的兩側和后部，而不是安裝在機翼上。這樣的設計不影響機翼折疊。同時，在水下航行時螺旋槳也可作為控制動力。
圖3 無人航行器水下形態三視圖
Fig.3 Three views of the underwater shape of the unmanned vehicle
水下航行主要需要克服阻力和升降控制。無人航行器在水下航行時設計兩側機翼折疊收攏在機身上表面，以減少航行水阻力。
作為水下監視或慢行的無人航行器，最主要的是根據航行阻力特性來設計水下螺旋槳推進器。首先根據阻力系數經驗參數估計阻力大小量級。
展開 技術交流▏基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺
針對上述問題，本文提出采用移動性靈活的水下無人自主航行器完成水域監測任務。因此，本文提出面向水域生態環境監測的基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺。
該平臺基于輕型免維護AUV載體，通過搭載水下多參數傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數及水底的地形地貌信息；基于穩健水聲通信技術實現水下多參數傳感器的實時回傳，實現水質信息的原位監測；通過提出的智能水下平臺控制算法，本平臺可實現航跡自主規劃，提高了監測任務的靈活性。
二、系統設計
⒈系統總體設計
本系統采用輕型免維護AUV平臺搭載聲通信機、水質傳感器與側掃聲吶的水下探測系統，可實現水下采集傳感器數據的實時回傳，總體系統分為水下航行器、操控終端和保障系統三部分。AUV航行器平臺搭載聲通信機與側掃聲吶的實施方案如圖1所示，搭載后的平臺除原平臺的頭段、控制段、接口段和尾端外，在頭段與控制段之間針對聲通信機和側掃聲吶的搭載需求分別設計聲通信機搭載段。側掃聲吶安裝于側掃聲吶搭載段的雙側“肋部”位置，段內安裝相應聲學設備的電子處理板。該平臺采用模塊化設計，擴展性強，可搭載多種聲吶設備，完成水文參量數據采集、水底地形地貌勘察以及相關的作業任務。
AUV總體結構采用封閉耐壓結構形式，分段形式構成，各艙段按功能模塊化要求進行設計，各段功能相對獨立，各艙段采用了統一的連接結構和密封形式進行設計，可增添附加的功能段。AUV平臺直徑180mm，總長1975mm，排水量約50kg。
展開 水下無人潛航器集群發展現狀及關鍵技術綜述
1.2 民用領域
1.2.1 Cocoro自主水下航行器集群
2011年，奧地利Ganz人工生命實驗室的研究人員發布了當時世界上最大的水下無人航行器集群：CoCoRo自主水下航行器集群[5]。該項目由歐盟資助，Thomas Schmickl領導，由41個UUV組成，可以協同完成任務，其主要目的是用于水下監測和搜索。該集群系統在其行為潛力方面具有可擴展性，可靠性和靈活性。研究人員通過受到行為學和心理學啟發的實驗來研究集體自我認知，從而允許量化集體認知。
圖1 CADRE系統概念圖
Fig.1 Concept diagram of CADRE system
1.2.2 WiMUST-用于地震勘測的AUV艦隊
WiMUST[6](widely scalable mobile underwater sonar technology) 項目旨在設計和測試協作自主水下航行器系統以簡化地震勘測并提供相比于現代拖纜方式的顯著優勢。WiMUST系統的主要新穎之處在于使用海洋機器人來捕獲地震數據而不是傳統的拖纜。
項目利用UUV集群牽引小型孔徑短拖纜。UUV充當可重新配置的移動聲學網絡的感測和通信節點，并且整個系統表現為用于記錄數據的分布式傳感器陣列，數據通過支持船裝備的聲源射向海床和海底地層的強聲波而獲得，如圖2所示。
圖2 WiMUST系統工作方式
Fig.2 Work mode of WiMUST system
1.2.3 歐盟Grex項目
由歐盟資助的研發項目GREX[7](2006-2009)促進了多航行器協作的理論方法和實用工具的發展，縮小了概念與實踐之間的差距。由該項目資助研發的技術一方面通用性很強，連接預先存在的異構系統。另一方面魯棒性很強，能夠應對由通信錯誤引起的問題。
展開 軟體機器人抓手可以處理容易受傷的海洋生物
正是考慮到這一點，哈佛大學領導的團隊最近開發了一種具有柔軟觸感的水下機器人抓手。
該裝置基于以前的研究，設計用于與遠程操作水下航行器配合使用，該航行器由船上的操作員實時控制。抓手已經以各種形式進行了試驗，其配備兩到五個柔軟的聚氨酯“手指”。這些“手指”在面對目標物體時可以使用低壓液壓系統打開和關閉 - 例如小而脆弱的動物 - 將海水泵入和排出。所有的“手指”都固定在一個中央木球上，而木球則由遠程操作水下航行器現有的鋼制鉗子固定。
由于“手指”是3D打印的，因此可以根據需要在遠程定位的研究船上制造專為特殊任務設計的新“手指”。該技術最近在南太平洋菲尼克斯群島的一次探險中進行了測試。在那里，不同版本的遠程操作水下航行器安裝式抓手用于無害地拾取和檢查生物，包括海參、珊瑚和海綿動物，深度達2224米。
根據操作員的反饋，科學家們3D打印并在“手指”上添加了額外的功能 - 這些包括楔形柔軟的“指甲”，使“手指”更容易在物體下方滑動，同時還有沿著側面邊緣的延伸部分。“手指”形成了阻止動物在它們之間滑動的障礙。
“當與容易受傷的水下生物相互作用時，最適合的采樣設備也最好是柔軟的，”該研究論文的共同作者Rob Wood博士表示。“直到最近，軟體機器人技術領域才進一步發展，使我們能夠真正建造能可靠無害地抓住這些動物的機器人。”
展開 
海洋維權無人裝備發展研究
無人機、無人水面艇、無人水下航行器等無人裝備可融合并分析多手段獲取的數據，自主決策任務重規劃和任務執行，從而自主完成相應的巡邏、監視任務；與其他無人裝備協同，精準執行不同類型的維權任務。推動海洋維權無人裝備的智能化發展，掌握自主協同控制、大數據分析、智能任務規劃、集群智能等技術，將顯著降低操作人員數量、減少人員傷亡可能性、提升任務執行效率。未來，將具備智能化特征的無人裝備應用到海洋維權執法，為海洋維權增添強力裝備支撐。
四、我國海洋維權無人裝備發展面臨的問題
（一）裝備體系化智能化水平不高
相較于世界海洋強國無人裝備的研制與應用進展，我國相關裝備對人員的依賴程度高，裝備智能化欠缺。對于“急難險重”任務和復雜環境，人員現場處置亟需新型裝備能力支持。由于執法區域面積廣闊，成體系的智能化無人裝備相對短缺，如應對海上惡劣天氣的長航時無人機 [10,11]，具備快速抵近偵察打擊能力的無人船 [12]，可執行水下打撈、取證、偵察任務的水下無人航行器 [13]等。
（二）水下、空中管控處置能力較弱
從我國海警力量的構成現狀可以看出，海洋維權力量的水面管控處置能力較強，但水下/空中管控與處置能力較弱。例如，缺乏水下、空中管控與處置裝備，難以適應立體化維權執法任務需求；缺乏覆蓋全海域的水下“低、慢、小”目標處置裝備，空中航行器打擊裝備，無法對來自水下、空中的可疑目標實施警告、驅離、打擊、制控。
（三）全域立體態勢感知能力不強
管控海域態勢感知需要實時獲取來自空中、水面、水下的各種動/靜態目標信息，現有裝備基本能夠滿足水面態勢感知的需要，但缺乏對水下/空中目標的專門感知能力。偏弱的實時感知能力制約了海洋維權執法的范圍和效率。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（下）
圖5.AUV控制器實時壓縮的協作圖
圖6.AUV控制器的實時壓縮類圖
這里，離散部件的壓縮由AUV控制器HA中的情況Q和過渡A組成;連續部件的壓縮包含連續狀態空間X;IGCB的壓縮實現了具體的全局連續行為，如f∈F，其中f直接來自公式（3），實現的功能模塊圖（圖4）可以在f中實現，用于估計AUV狀態;外部接口的壓縮是一個中介，它在AUV控制器和MES / MDS之間接收/發送事件/信號;內部接口的壓縮允許 Inv 工具在 HA 演化中生成內部事件。
對于不同AUV應用的控制器操作員來說，可重用性至關重要，因為它減少了制造時間和設備成本。此外，這允許開發AUV的壓縮協作在多種類型AUV的新控制應用中定制和重用，如表2所示。
表 2.設計控制器在多種類型AUV的新控制應用中的可定制性和可重復使用性（IGCB，瞬時全局連續行為）。
展開 案例解析|潛艇外流場分析
采用流體動力數值仿真分析技術，能夠系統分析和研究各種水下航行器的航行性能，指導水下航行器設計，提出優化設計方案和改進航行性能的措施。
本項目對潛艇的水動力航行性能進行了分析和研究。
模型簡化
本算例使用幾何來源simscale官網，幾何模型如圖1所示。
基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
郁程等[10]針對側推器這種內部流動情形開展改進體積力法研究，提出了考慮轉子阻塞影響的流量修正方法。Eslamdoost等[11]研究了3種體積力模型在軸流泵中的適用性，其中考慮了導葉、軸向均布體積力和周向體積力的體積力模型與多重參考系法（MRF）相比所得揚程的精度相當，噴口處的局部流場較MRF精度更高。Knight等[12]訓練了一種半經驗算法用于確定非定常螺旋槳體積力。宋長江等[13]采用葉素理論，對類似于水下導管螺旋槳的空氣涵道尾槳開展了動量源法CFD分析，結果顯示槳的推力值與試驗值基本吻合。
當前，有關體積力法的改進研究層出，但聚焦于水下導管螺旋槳體積力法適用性及改進方法的研究較少。探究適用于導管螺旋槳的體積力法有利于在保證宏觀運動精度的前提下提高水下航行器操縱運動模擬的效率。為解決傳統體積力法在導管螺旋槳中的適用局限性問題，將首先基于機翼理論分析導管螺旋槳水動力模擬失真的原因，然后提出質量流量修正和分布修正這2種修正方法，最后在敞水和艇后這2種工況下探究2種體積力分布形式的模擬精度，并對改進的螺旋槳體積力模型進行數值驗證，用以為搭配導管螺旋槳的水下航行器高效、準確的動態操縱性仿真奠定基礎。
1 數值模擬方法
本文采用RANS方法和STAR-CCM+平臺求解器開展基于體積力法的導管螺旋槳水動力性能研究。
1.1控制方程
對于三維定常、不可壓縮的黏性流場，流體滿足連續性方程和動量守恒方程：
式中：，(i，j=1，2，3)為坐標分量；，(i，j=1，2，3)為速度分量時均值；為流體密度；p為壓力時均值；，分別為重力加速度和自定義單位質量力在方向的分量；為雷諾應力項；為動力黏性系數。雷諾平均應力張量采用經典的渦黏假設，并表達成Boussinsq建議的形式：
式中：為湍流渦黏度；k為單位質量流體的湍流脈動動能；為克羅內克函數。
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