CFD approach to modelling hydrodynamic characteristics of underwater glider

• Autorzy: Stryczniewicz Kamila , Drężek Przemysław

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2019-0021

Warianty tytułu

PL

Modelowanie charakterystyk hydrodynamicznych podwodnego szybowca z użyciem metod numerycznej mechaniki płynów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Autonomous underwater gliders are buoyancy propelled vehicles. Their way of propulsion relies upon changing their buoyancy with internal pumping systems enabling them up and down motions, and their forward gliding motions are generated by hydrodynamic lift forces exerted on a pair of wings attached to a glider hull. In this study lift and drag characteristics of a glider were performed using Computational Fluid Dynamics (CFD) approach and results were compared with the literature. Flow behavior, lift and drag forces distribution at different angles of attack were studied for Reynolds numbers varying around 105 for NACA0012 wing configurations. The variable of the glider was the angle of attack, the velocity was constant. Flow velocity was 0.5 m/s and angle of the body varying from -8° to 8° in steps of 2°. Results from the CFD constituted the basis for the calculation the equations of motions of glider in the vertical plane. Therefore, vehicle motion simulation was achieved through numeric integration of the equations of motion. The equations of motions will be solved in the MatLab software. This work will contribute to dynamic modelling and three-dimensional motion simulation of a torpedo shaped underwater glider.

PL

Autonomiczne podwodne szybowce to pojazdy napędzane wypornością i siłą nośną. Ruch glidera w stanie ustalonym jest ruchem „piłokształtnym”. Sposób napędu polega na zmianie ich wyporności za pomocą wewnętrznego systemu pomp, umożliwiającego im nurkowanie lub wynurzanie się z wody, a ich ruchy w przód są generowane przez hydrodynamiczne siły nośne wywierane na parę skrzydeł przymocowanych do kadłuba. W ramach tej pracy wyznaczono charakterystykę siły oporu i siły nośnej szybowca z zastosowaniem metod Numerycznej Mechaniki Płynów, wyniki porównano z innymi danymi z literatury. Charakterystykę przepływu, rozkład siły nośnej i oporu przy różnych kątach pochylenia badano dla liczb Reynoldsa o wartości około 105 dla konfiguracji skrzydeł NACA0012. Zmiennym parametrem szybowca jest kąt pochylenia, prędkość przepływu była stała i wynosiła 0,5 m/s. Kąt pochylenia kadłuba zmieniał się od -8° do 8° z krokiem 2°. Wyniki z CFD są wykorzystywane do obliczania równań ruchów szybowca w płaszczyźnie pionowej. W niniejszej pracy została rozpatrzona hydrodynamika i generowane siły nośne. Równania ruchu będą rozwiązywane w oprogramowaniu MatLab. Praca ta przyczyni się do stworzenia odpowiedniego modelu dynamiki szybowca podwodnego.

Słowa kluczowe

EN

AUV; CFD; drag; glider; underwater glider

PL

AUV; CFD; opór hydrodynamiczny; szybowiec; glider; podwodny szybowiec

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 4 (257)
• Strony: 32--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Stryczniewicz Kamila

• Warsaw University of Technology, Department of Aerodynamics, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland

autor

Drężek Przemysław

• Research Network Łukasiewicz - Institute of Aviation, Department of Aerodynamics, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Webb D. C., Simonetti P. J., Jones C. P. SLOCUM, an underwater glider propelled by environmental energy. IEEE J. Oceanic Eng. 2001, 26 (4), 447-452.
• [2] Sherman J., Davis R. E., Owens W. B., Valdes J., 2001. The autonomous underwater glider ‘‘spray’’. IEEE J. Oceanic Eng. 26 (4), 437-446.
• [3] Eriksen C. C., Osse T. J., Light R. D., Wen,T., Lehman T. W., Sabin P. L., Ballard J. W., Chiodi A. M., 2001. Sea-glider: a long range autonomous underwater vehicle for oceanographic research. IEEE J. Oceanic Eng. 26 (4), 424-436.
• [4] Zhang F., Fratantoni D. M., Paley, D., Lund J., Leonard N. E., Control of coordinated patterns for ocean sampling. Int. J. Control, 2007, 80 (7), 1186-1199.
• [5] Leonard N. E., Paley D. A., Davis R. E., Fratantoni D. M., Lekien F., Zhang F., Coordinated control of an underwater glider fleet in an adaptive ocean sampling field experiment in Monterey bay. J. Field Robot. 2010, 27 (6), 718-740.
• [6] Graver J., Leonard N. E., Underwater glider dynamics and control. In: 12th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology, Durham, 2001, 1-14.
• [7] Bhatta P., Leonard N. E., Nonlinear gliding stability and control for vehicles with hydrodynamic forcing. Automatica, 2008, 44 (5), 1240-1250.
• [8] S. Zhang, J. Yu, A. Zhang, F. Zhang, Spiraling motion of underwater gliders: Modeling, analysis, and experimental results, Ocean Engineering, 2013, 60, 1-13
• [9] Gertler M., Hagen G. R., Standard equations of motion for submarine simulation, Report 2510, Naval Ship Research and Development Center, June 1967.
• [10] Yumin Su, Jinxin Zhao, Jian Cao and Guocheng Zhang, Dynamics modeling and simulation of autonomous underwater vehicles with appendages. J. Marine Sci. Appl. 2013, 12, 45-51.
• [11] de Barros E. A., Pascoal A., de Sa E., Investigation of a method for predicting AUV derivatives. Ocean Engineering, 2008, 35, 1627-1636.
• [12] Isa K., Arshad M. R., Ishak S., A hybrid-driven underwater glider model, hydrodynamics estimation, and an analysis of the motion control. Ocean Engineering, 2014, 81, 111-129.
• [13] Fang Liu, Yanhui Wang, Wendong Niu, Zhesong Ma, and Yuhong Liu: Hydrodynamic performance analysis and experiments of a hybrid underwater glider with different layout of wings. IEEE, 978-1-4799-3646-5/14, 2014.
• [14] Singh Y., Bhattacharyya S. K., Idichandy V. G., CFD approach to steady state analysis of an underwater glider. IEEE, 978-1-4799-4918-2/14/, 2014.
• [15] Phillips A. B., Turnock S. R., Furlong M., Influence of turbulence closure models on the vortical flow field around a submarine body undergoing steady drift, J. Marine Sci. Techn., 2010, 15(3), 201-217.
• [16] Zhang J. T. Jordan A. M., Gerber, A. G., Gordon A., Holloway L., Watt, G. D., Simulation of the flow over axisymmetric submarine hulls in steady turning, Ocean Engineering, 2013, 57, 180-196. 2014, 102, 215-236.
• [17] Xiaocui W., Yiwei W., Chenguang H., Zhiqiang H., Ruiwen Y., An effective CFD approach for marine-vehicle maneuvering simulation based on the hybrid reference frames method. Ocean Engineering, 2015, 109, 83-92.
• [18] Yogang Singh ∗, S. K. Bhattacharyya, V. G. Idichandy, CFD approach to modelling, hydrodynamic analysis and motion characteristics of a laboratory underwater glider with experimental results, Journal of Ocean Engineering and Science 2 (2017) 90-119.
• [19] ITTC, Recommended procedures and guidelines: practical guidelines for ship CFD applications, 7.5, ITTC, 2011, pp. 1-18.
• [20] Ichihashi N., Ikebuchi T., Arima M., in: Proceedings of the eighteenth ISOPE conference, ISOPE 2008, Canada, 2008, pp. 156-161. ISBN: 1-880653-68-0.
• [21] Myring D. F. (1976) A Theoretical Study of Body Drag in Subcritical Axisymmetric Flow. The Aeronautical Quarterly, 27, 186-194.
• [22] Lepparanta M., Myrberg K., Physical oceanography of the Baltic Sea, Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2009, ISBN 978-3-540-79702-9.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).