曾思遠，王煜天

(1.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院工業(yè)工程系，吉林 長春 130000；2.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

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仿生水下航行器的設(shè)計分析

曾思遠1，王煜天2

(1.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院工業(yè)工程系，吉林 長春 130000；2.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

摘要：面對海洋探測等領(lǐng)域?qū)λ潞叫衅鞯钠惹行枨?，本文對?dāng)前水下航行器的現(xiàn)狀和分類進行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合仿生學(xué)方法，以水下鯨目動物為模板，設(shè)計建立了仿生水下航行器三維模型，基于流體動力學(xué)仿真軟件對航行器機身與關(guān)鍵結(jié)合部位的壓強、流線分布等力學(xué)特性進行了分析研究，研究工作對水下航行器設(shè)計優(yōu)化具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：海洋探測；水下航行器；仿生設(shè)計；流體分析

1引言

隨著人類對海洋探索的不斷深入，水下航行器作為人類認識海洋、監(jiān)測海洋、管理海洋的重要途徑，相關(guān)研究愈發(fā)受到國內(nèi)外關(guān)注[1]。

典型的水下航行器分為自主航行器(AUV)和遙控航行器(ROV)兩類[1-2]。其中，AUV不需人操縱，能相對長距離地工作，而ROV是通過連接于水面指揮船的纜繩提供動力和遙控操縱的。通過模擬自然界中生物的結(jié)構(gòu)、功能來改進工程系統(tǒng)的設(shè)計，一直是國內(nèi)外水下航行器研究的熱點。魚類作為水下生物，具有優(yōu)異的水動力學(xué)特性。基于魚類結(jié)構(gòu)開展水下機器人仿生設(shè)計分析，對其改善減阻、降噪特性，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值[2--4]。

2CFD模擬湍流模型

根據(jù)相對運動原理，可視水下載具的流體外形為靜止，水流以速度-U0流向載具體。在定常假設(shè)的前提下，對N-S方程進行雷諾平均，假定流體是不可壓的，可得流場的連續(xù)方程和動量方程為[2-3]

(1)

(2)

3仿生水下航行器的設(shè)計分析

水中的鯨目動物身體呈紡錘形或流線型，以鯨魚最具代表性。鯨魚的尾鰭退化，與脊柱一起完成擺動運動，前鰭則具有水平舵功能，配合尾鰭改變身體姿態(tài)，并保持平衡?？紤]到本文設(shè)計的水下航行器尺寸要精巧且便于加工，因此對前鰭部分做了必要的簡化處理?；谏鲜鲈瓌t，本文采用三維造型軟件對仿生水下航行器進行了三維建模，如圖1所示，其中航行器總長750mm，為整體結(jié)構(gòu)的最大尺寸。

圖1　仿生水下航行器三維模型

在仿生水下航行器流體動力學(xué)特性分析中，為了消除外流場的邊界效應(yīng)，計算流場邊界要大于航行器極限尺寸5倍以上，因此設(shè)定最大空間尺寸為3800mm的長方體模擬水下流體環(huán)境。圖2為在初始外流場環(huán)境下的水下航行器三維網(wǎng)格模型，圖3為局部網(wǎng)格細分后的三維模型。

圖2　外流場下航行器網(wǎng)格模型

圖3　尾部網(wǎng)格細分后的三維模型

采用CFX算法對仿生航行器殼體水下受壓情況進行了仿真計算分析，圖4是仿真分析結(jié)果。由圖4可見，在航行器首部、尾鰭與器身根部出現(xiàn)第三等級壓強區(qū)，壓強上限為1.65×103Pa，下限為1.05×103Pa。器身最大截面處邊界有較大面積的負壓區(qū)，負壓區(qū)壓強值從-1.961×103Pa到-1.358×103Pa。從首部到尾鰭根部，器身壓強從第三等壓強區(qū)到負壓區(qū)連續(xù)變化。

圖5為局部放大的極限高壓區(qū)域，尾鰭與迎面流質(zhì)接觸處，出現(xiàn)極限高壓區(qū)，壓強達2.861×103Pa；另外，由于尾鰭和器身相接處為非連續(xù)曲面過渡，故出現(xiàn)了高壓區(qū)斷層，壓強值略減并向器身擴張。同時也發(fā)現(xiàn)，采用仿生學(xué)設(shè)計方法設(shè)計的流線型結(jié)構(gòu)，有效改善了航行器流體動力學(xué)特性。

就同一水平面上繪制流線圖，如圖6所示，在正面矢量處速率急劇衰減，構(gòu)成了一個流質(zhì)低速區(qū)域，對比速率色譜可估算出速度衰減區(qū)，最高速度值為8.12×10-1m/s。控制面上連續(xù)速度變化使流質(zhì)具有明顯的湍流傾向。

圖6　尾鰭低壓區(qū)流質(zhì)水平面的流線分布

在上述工作的基礎(chǔ)上， 為了進一步研究尾鰭結(jié)構(gòu)尺寸對航行器流體動力學(xué)特性的影響， 開展了不同厚度尾鰭性能的分析研究，圖7是4種不同厚度的改進尾鰭最大壓強情況?？梢?，6mm厚度的尾鰭最大壓強等級最低，隨著尾鰭厚度的增加，最大壓強數(shù)值呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖7　不同厚度尾鰭5節(jié)流速下的最大壓強情況

4結(jié)論

對水下航行器進行了仿生設(shè)計與分析，通過建立三維模型，基于流體動力學(xué)仿真軟件對航行器水下壓強分布進行了分析研究。分析結(jié)果表明，非連續(xù)過渡的器身結(jié)構(gòu)處壓強分布與流線分布出現(xiàn)急劇變化，但采用仿生學(xué)設(shè)計方法設(shè)計的流線型結(jié)構(gòu)部位，則表現(xiàn)出良好的流體動力學(xué)特性。

參考文獻

[1]梁建宏,王田苗,魏洪興.水下仿生機器魚的研究進展Ⅰ—魚類推進機理[J].機器人,2002,24(2):107-111.

[2]M.J. Lighthill. Aquatic animal propulsion of high hydromechanical efficiency[J].Fluid Mech., 1970,44:265-301.

[3]D.S. Barrett, M. S. Triantafyllou, D. K. P. Yue, et al., Drag reduction in fish-like locomotion[J].Fluid Mech., 1999,73:183-212.

[4]M. Sfakiotakis, D. M. Lane, and J. B. C. Davies.Review of fish swimming modes for aquatic locomotion[J]. IEEE J. Oceanic Eng., 1999, 24:237-252.

[收稿日期]2016-06-13

[作者簡介]曾思遠(1995-)，男，吉林大學(xué)機械學(xué)院工業(yè)工程系本科生，主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與結(jié)構(gòu)性能測試。

中圖分類號：U674.941

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.018

Design and Analysis of Bionic Underwater Vehicle

Zeng Siyuan1, Wang Yutian2

(1.Department of Industrial Engineering, Jilin University, Changchun 130000, Jilin, China;2.College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000, Jilin, China)

Abstract：Aiming at the urgent demand of underwater vehicle for marine exploration and other according fields, the status and classification of underwater vehicle are analyzed in the paper. Based on the analysis, combined with bionic method and taking the cetaceans as bionic template, the 3D model of bionic underwater vehicle is designed. Based on the fluid dynamics simulation software, the pressure and streamline distribution characteristics of the underwater vehicle are analyzed. The research has important significance for the design of underwater vehicle.

Keywords:marine exploration; underwater vehicle; bionic design; fluid analysis