水下航行体海洋生物污损参数化建模以及仿真方法

本发明属于海洋生物污损监测，尤其涉及一种水下航行体海洋生物污损参数化建模以及仿真方法。

背景技术：

1、在水面和水下航行器的运行过程中，海洋生物污损现象是一个普遍存在的问题。生物污损主要是指各种海洋生物在航行器表面附着和生长的现象。这种生物污损会显著增加航行器的阻力，从而导致能耗的增加，甚至可能损坏航行器的结构和性能。因此，研究如何有效地控制和减轻海洋生物污损现象对于提升航行器的效率和安全性至关重要。

2、目前，生物污损的研究方法主要依赖于计算流体动力学(cfd)技术对三维模型进行模拟和分析。这种方法相对快捷且低成本。然而，现有的技术存在几个主要问题和挑战：

3、现有的cfd方法对三维模型的准确性有较高要求。然而，许多建模方法往往通过使用简单的几何形状(例如半球形或圆柱形)来模拟特定的生物污损。这种简化的建模方式虽然在定性分析中仍然有效，但在定量预测中可能存在较大的误差，难以精确反映生物污损对航行器的实际影响。

4、为了模拟生物污损的时空分布，许多建模方法会设置生物污损个体的数量，并将污损附着对象分成不同的区域分别设置数量。然而，这些建模方法通常缺乏灵活性，难以自由选择污损附着的位置、个体大小和个体姿态。这种限制导致难以真实地模拟生物污损的实际分布情况。

5、现有建模方法通常采用简单的几何外形，使用少量的特征尺寸(如半球形的半径)来描述生物污损。这种简单的参数化过程虽然便于操作，但可能无法全面反映生物污损的复杂特性。缺乏全面、细致的参数化可能会影响建模的精确性。

6、由于模型建立的准确性直接影响生物污损仿真和预测的数学模型，现有的模型常常受制于三维模型的不准确性。模型的准确性对不同污损状态的模拟，以及在大数据环境下进行精确预测的能力至关重要。现有的技术难以满足这些高标准的要求。

7、综上所述，现有的生物污损研究和建模技术面临着诸多挑战，包括建模精度、布置方式的灵活性、污损特征的全面参数化以及模型准确性对预测的影响。这些问题限制了对生物污损现象的准确模拟和预测，进而影响了航行器的性能和效率。因此，需要开发更加精确、灵活和全面的生物污损建模和模拟技术，以提高航行器在水面和水下任务过程中的性能和安全性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种旨在解决现有的生物污损研究和建模技术存在建模精度不足、布置方式受限、参数化不全面以及模型准确性对预测影响等问题的水下航行体海洋生物污损参数化建模以及仿真方法。

2、本发明是这样实现的，一种水下航行体海洋生物污损参数化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

3、a.定义生物污损生成参数：所述包括生物污损生成参数包括区域内污损数量，随机种子，生物污损缩放系数区间；

4、b.在水下航行体表面设置生物污损生成点并确定生物污损位置：沿母线分割航行体，并对每一个横截面等角度分割，随机选择生成点确定生物污损位置；

5、c.建立标准生物污损曲线：根据水下航行体表面的生物污损外形和统计尺寸，结合现场观测和测量数据，生成标准曲线并提取控制点坐标；

6、d.旋转和缩放生物污损曲线：在每个生成位置建立笛卡尔坐标系，根据标准曲线控制点坐标生成标准生物污损模型，并通过旋转和缩放调整污损大小和方向；

7、e.将旋转和缩放的生物污损曲线和标准生物污损曲线投影到航行体的曲面上，得到航行体的曲面上的投影曲线，并在航行体的曲面上建立扫掠曲线；

8、f.将航行体的曲面上的投影曲线作为扫掠轨迹线，用上一步骤生成的扫掠曲线沿扫掠轨迹线扫掠，得到了生物污损外形。

9、在上述技术方案中，优选的，还包括步骤g：计算生物污损的面积参数，所述面积参数包括迎流面积、覆盖面积、覆盖率，并记录所有污损的平均值和标准差；计算生物污损的位置参数，所述位置参数包括流向污损坐标、污损极径和污损极角，并记录所有污损的位置统计量。

10、在上述技术方案中，优选的，步骤g的迎流面积参数是通过在污损中心点建立与流体流过这一点的方向垂直的平面，并将污损曲面投影到平面上计算投影图形面积；覆盖面积参数是通过计算被污损遮住的滑翔机表面面积得到。

11、在上述技术方案中，优选的，步骤g的流向污损坐标是通过测量污损中心距离滑翔机头部原点的距离；污损极径和污损极角是通过在滑翔机尾部建立极坐标系，将污损中心投影到极坐标平面确定。

12、在上述技术方案中，优选的，通过将污损覆盖面积的平均值与污损数量相乘，再除以航行体表面积，得到污损的覆盖率。

13、在上述技术方案中，优选的，利用步骤a的随机结果和步骤c的标准曲线控制点坐标，结合rhino软件进行可视化建模。

14、本发明所提出的海洋生物污损参数化建模、仿真以及阻力预测方法，具有的优点和显著效果：

15、1、本发明可以实现对生物污损的随机数量、随机位置、随机大小以及随机方向的建模。这种建模方式使得模拟出的生物污损外形更接近真实状态，体现了生物污损在实际航行器表面的复杂特性。这种接近真实的建模方式为后续的cfd仿真提供了更加精准的三维模型，增强了仿真结果的准确性和可靠性。

16、2、本发明结合了不同的仿真软件，建立了一套自动化仿真系统和方法。该系统能够根据需求方便地调节仿真参数，实现大批量仿真样本的自动化计算。这种自动化流程显著提高了仿真的效率和规模，为研究者提供了强大的工具进行海洋生物污损的研究和分析。

17、3、本发明通过180组仿真数据建立了一个阻力预测模型，能够根据污损状态计算航行器的阻力。这一模型方法对于回转体水下航行器的阻力预测和状态监测都具有重要意义。该模型可以根据不同的污损状态进行精准的阻力预测，为航行器设计和优化提供了关键的参考数据。

18、4、通过准确的生物污损建模和阻力预测，本发明为航行器的设计和运营提供了宝贵的信息。这种精准的仿真和预测方法可以帮助航行器设计师和工程师优化设计，减少能耗，提高航行器的性能和效率，最终提升航行器在海洋环境中的表现。

19、5.、通过本发明的建模和仿真技术，研究者可以更深入地了解生物污损对航行器的影响。精确的阻力预测模型使得研究者能够评估不同污损状态下的航行器性能，为污损防护和维护策略的制定提供科学依据。

20、综上所述，本发明通过创新性的生物污损建模、自动化仿真系统和精确的阻力预测模型，为海洋生物污损研究提供了一套全面且高效的方法。这些优点和效果将有助于提高航行器的设计和运营质量，并推动海洋工程技术的进步。

21、本发明的第二目的，提出一种cfd仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

22、1)利用上述建模方法获得模型文件；

23、2)设定各面网格尺寸参数，对水下航行体表面区域以及生物污损区域分别设置网格单元尺寸，生成网格文件；

24、3)将网格文件导入fluent求解器，定义液体为水，设置边界条件和速度入口，出口为自由出流，入口速度和对应的污损生成参数中速度一致；设置水下航行体表面以及污损表面为无滑移壁面。