水下导管架清洗机器人的建模与水动力仿真分析

《Fluids》：Modeling and Hydrodynamic Simulation Analysis of an Underwater Jacket Cleaning Robot

　　

针对海上平台导管架上海洋生物附着的清洁需求，设计了一种采用“底盘+推进器辅助吸附+磁吸附”组合模式的水下清洗机器人。该机器人配备四个推进器和一个磁吸附轮式底盘，能够在变直径管件上实现稳定附着和移动。建立了惯性坐标系和体固定坐标系下的运动学模型，并推导了六自由度（6-DOF）动力学方程。这些方程系统性地包含了附加质量力、阻尼力、静水恢复力、海流扰动力以及推进器力矩等关键因素。基于采用重叠网格（overset grids）、移动参考系（moving reference frame）和简谐运动（simple harmonic motion）技术的CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真，识别了各自由度的阻尼系数、附加质量系数以及推进器推力和扭矩系数。获得的参数与CFD内部验证和初步外部验证显示出合理的一致性，为水下清洗机器人的运动控制和作业稳定性分析提供了完整的理论模型和仿真数据支持。所建立的动力学模型适用于机器人未进行清洗作业的自由航行状态。清洗作业过程中的附加水动力效应将在未来工作中考虑。

**论文解读文章：水下导管架清洗机器人的建模与水动力仿真分析**

**研究背景与问题**
海上平台导管架结构长期浸没于海洋环境，表面极易附着藤壶、牡蛎、藻类等海洋生物，形成具有显著时空变异性的海洋生物污损层（marine biofouling）。该污损层会增加结构等效直径、附加质量和表面粗糙度，改变流场分离与涡激响应特性，从而在波浪和海流作用下增大拖曳力、惯性力和疲劳载荷；同时，生物膜及其代谢产物会诱导或加速金属材料的微生物腐蚀（MIC），削弱防腐涂层效能。为保障导管架结构服役寿命及石油开采的持续稳定性，必须定期进行清洗和检测。目前，导管架清洗仍主要依赖潜水员或配备高压水射流设备的遥控水下机器人（ROV），但水下环境复杂多变，受海况、水深、能见度、海流及反冲力等因素影响，作业效率受限且人员安全风险高。因此，开发面向导管架清洗需求的专用水下爬壁清洗机器人系统，对提升海上石油生产设备的维护能力和作业安全性具有深远的现实意义。

**研究人员开展的研究与结论**
本研究设计了一种采用“轮式底盘+推进器辅助吸附+磁吸附”组合模式的水下清洗机器人，总质量约150 kg，外形尺寸为1.3 m × 1.2 m × 0.4 m，配备四个T200推进器和一个磁吸附轮式底盘，能在非均匀管径条件下实现稳定附着和移动。研究建立了惯性坐标系和体固定坐标系下的运动学与动力学模型，系统性地纳入了附加质量力、阻尼力、静水恢复力、海流扰动及推进器力矩。基于CFD仿真（采用重叠网格、移动参考系和简谐运动技术），识别了各自由度的阻尼系数、附加质量系数以及推进器推力和扭矩系数。所得参数与CFD内部验证和初步外部验证（与T200推进器制造商公开数据对比，误差在7.8%~14.3%范围内）具有合理一致性，为水下清洗机器人的运动控制和作业稳定性分析提供了完整的理论模型和仿真数据支持。该论文发表在《Fluids》。

**主要关键技术方法**
研究采用基于商用流体动力学软件ANSYS Fluent 2025 R2的CFD仿真方法。对于机器人本体水动力系数：采用重叠网格技术实现机器人不同自由度运动；通过稳态计算结合移动参考系（Moving Reference Frame, MRF）方法求解阻尼系数；通过瞬态计算结合网格运动技术（强迫振荡法，振荡频率1 Hz，低KC数范围KC<1）求解附加质量系数。对于推进器推力系数：构建推进器外部流场域，使用MRF方法处理旋转域，稳态计算获取不同进速系数下的推力与扭矩，并通过二次多项式拟合得到推力系数K_T和扭矩系数K_Q。所有计算采用基于压力的求解器，SST k-ω湍流模型，Coupled算法进行压力-速度耦合，收敛标准为连续性方程和动量方程残差低于10^-6，且力和力矩监测值波动在2%以内。

**研究结果**

**4.1 数值计算域构建与求解器设置**
通过建立背景网格和组件网格，分别设定速度入口、压力出口和无滑移壁面边界条件。对于摇荡、纵荡和垂荡运动，采用改变入口速度模拟相对运动；对于横摇、纵摇和艏摇运动，采用稳态计算结合MRF方法定义旋转速度。附加质量系数通过瞬态计算和网格运动技术，施加小振幅正弦速度（平移或转动），并利用一阶傅里叶级数拟合得到余弦项系数，除以加速度后获得附加质量系数。

**4.2 数值求解**

**4.2.1 网格无关性验证**
将背景网格和组件网格分为粗、中、细三个等级，以垂荡阻尼系数和推进器推力系数（入口速度0.25 m/s，转速3000 RPM）为指标，中等网格相对细网格误差小于2%，因此选择中等网格进行后续仿真。

**4.2.2 机器人水动力系数**
阻尼系数：通过稳态计算，对机器人施加0~1 m/s或rad/s的等效平移或旋转运动，监测各自由度力/力矩，二次多项式拟合曲线R2>0.99。附加质量系数：瞬态计算结果经傅里叶拟合，R2≈0.97。通过多自由度耦合振荡分析，发现横摇力矩和纵摇力矩响应的幅值比主垂荡力幅值小两个数量级，验证了对角化假设的合理性。最终获得的六自由度水动力系数列于表6，其中垂荡线性阻尼系数为正，但这是等效线性化拟合的数学结果，不代表物理上的负阻尼。

**4.2.3 推进器推力系数**
通过不同转速和入口速度下的CFD稳态计算，得到推进器推力、扭矩及进速系数J，二次多项式拟合推力系数K_T、扭矩系数K_Q和效率η，R2均大于0.96。将CFD计算的零来流静推力与T200推进器制造商公开数据对比，在1000、2000和3000 RPM下误差分别为7.8%、14.3%和12.2%，在可接受范围内（10%~15%），验证了CFD结果的可靠性。

**讨论与结论**
本研究的动力学模型基于Fossen/SNAME框架，系统整合了附加质量力、阻尼力和静水恢复力，并通过CFD仿真识别了相关系数。但模型将水动力矩阵简化为对角形式，该假设在低速、小扰动条件下合理，但实际上严格对称性不成立。未来工作将通过耦合振荡CFD仿真或水池试验识别完整的6×6耦合矩阵，以进一步完善模型。此外，当前模型仅适用于机器人未进行清洗作业的自由航行状态，清洗过程中由射流反作用力和壁面效应引起的复杂水动力效应未被纳入，未来将扩展到清洗作业动力学。本研究为水下清洗机器人的运动控制和作业稳定性分析提供了完整的理论模型和仿真数据支持，对提升海上平台导管架维护的自动化水平和作业安全具有工程参考价值。