ROV设计要素之拖拽力

HuiRov 2022年5月16日15:28:43
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水下机器人的速度由可用功率和水下机器人及其脐带缆的拖拽力所影响,拖拽力由下面的公式计算而得:

Drag = 1/2 x s AV² Cd

说明:

s = 海水密度/重力加速度

海水密度 = 1,025 kg/m³(64lb/ft³)
重力加速度 = 9.8 m/sec²(32.2ft/s²)

A = Cd是无量纲化的特征区域。对于水下机器人来说,通常为前方的横截面面积或者整个水下机器人体积的2/3次方.对于缆来说,以英寸为单位的缆直径除以12倍缆垂直于流的长度。对于船来说是浸水面。

V = 速度(单位为英尺每秒)

1节= 1.689 英尺/秒= 0.51 米/秒

Cd = 无纲量拖拽力系数

Cd 范围为0.8 to 1 依据大多数水下机器人的横截面积而不同。对于非流线型缆,Cd 范围通常为1.2,如头发一样的流线型为0.5 to 0.6,流线型为0.1 to 0.2

被吸收功率由下面公式计算:

Power

     

 = Drag x V
 


550

550是一个恒数,用来转换英尺/磅/秒到马力。因此,功率与速度立方成正比(拖拽力与速度平方成正比),由于被吸收功率与速度立方成正比,且水下机器人需要3³/2³=3.4倍的以2节速度行进的功率来确保3节的行进速度。这就意味着如果功率对重量比是恒定的,一个以3节速度行进的水下机器人的推进器系统的载荷能力将是一个2节速度行进的ROV系统的3.4倍。这不是完全正确的,因为部见尺寸大小不一样。无论如何,这已经清楚的表明如果需要更快的速度,对于功率的要求更大,并且对于系统的重量要求更高。一个经验法则是每匹可用马力你可得到15.9 to 18.1 kg的推力。

水下机器人的拖拽力仅仅是方程式的一部分,因为通常是脐带缆的拖拽力占主导。下面举例来说明:

Drag = 1/2 s Av Vv²Cdv + 1/2 s Au Vu²Cdu
(v = 水下机器人; u = 脐带缆)

假设一台水下机器人正在以1.9 km/hr(1英尺/秒)的速度在305 m(1000英尺)的水下前进. 再假设脐带缆垂直向下,表面有一个浮体,在脐带缆底部有一个重物。再假设从船到浮体的脐带缆拖拽力很小,从重物到水下机器人的脐带缆拖拽力很小。其他数据:

脐带缆直径= 1 inch (2.54 cm)
水下机器人前方投影面积 = 16 ft²(1.5 m²)

因此:
水下机器人拖拽力 = 1/2 X 64/32.2 x16 x (1.689)² x 0.8 = 36 Ib (16.3 kg)

脐带缆拖拽力 = 1/2 x 64/32.2 x (1/12 x 1000) x (1.689)² x 1.2 = 284 Ib (129 kg)

这个简单的例子说明对于水下机器人几何结构的改进不能显著的改善系统的性能,脐带缆的拖拽力远大于水下机器人的拖拽力,我们在选择水下机器人时需要根据其工作水深和前进速度选择足够拉力的脐带缆。

下期我们将介绍水下机器人设计之压载浮力控制,尽情期待!

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