孫秀軍, 王力偉, 桑宏強(qiáng)

波浪滑翔器水下牽引機(jī)滑翔動力分析

孫秀軍1,2,3, 王力偉2, 桑宏強(qiáng)4

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300130; 2. 中國海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實驗室, 山東 青島, 266100; 3. 青島海洋與技術(shù)試點(diǎn)國家實驗室, 山東 青島, 266237; 4. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300387)

波浪滑翔器的縱向速度與水下牽引機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有很大關(guān)系, 其中水下牽引機(jī)自重和水翼最大俯仰角對其影響尤為突出。文中以“海哨兵”波浪滑翔器為研究對象, 采用牛頓-歐拉方程建立水翼動力學(xué)模型, 對最優(yōu)自重及最優(yōu)角度進(jìn)行計算流體力學(xué)仿真, 并將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果可知, 受到多種因素的影響, 兩者數(shù)據(jù)存在一定偏差, 但兩者總體趨勢相近, 數(shù)據(jù)顯示20°俯仰角為水翼的最優(yōu)俯仰角, 3級海況條件下, 45 kg的自重使得水下牽引機(jī)在下滑時間和下滑位移方面更加匹配波浪特性。文中在部分參數(shù)確定的情況下, 研究自重和俯仰角對波浪滑翔器推進(jìn)效率的影響, 可為波浪滑翔器后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化和設(shè)計提供參考。

水下牽引機(jī); 水翼; 波浪滑翔器; 自重; 俯仰角

0 引言

波浪滑翔器是一種能夠?qū)⒉ɡ四苻D(zhuǎn)化為前向動能的水面無人航行器, 具有工作時間長、位置自主可控等優(yōu)點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于水文氣象觀測、水質(zhì)生態(tài)調(diào)查、衛(wèi)星遙感驗證以及水面通信中繼等領(lǐng)域[1-3]。當(dāng)前, 如何提升波浪滑翔器的運(yùn)動速度逐漸成為該領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)之一。提升波浪滑翔器的運(yùn)動速度也就是提高波浪滑翔器的波浪動力轉(zhuǎn)化效率。波浪動力轉(zhuǎn)化效率主要取決于波浪滑翔器的雙體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及水下牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。對于水下牽引機(jī)來說, 其自重、翼板翼型和翼板彈簧機(jī)構(gòu)等參數(shù)選擇, 以及不同參數(shù)的組合對波浪轉(zhuǎn)化效率都會產(chǎn)生不同程度的影響, 在各個參數(shù)相互耦合的關(guān)系中, 找出波浪動力轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)化路線以及完成耦合參數(shù)的優(yōu)選, 對波浪滑翔器的運(yùn)動速度提升至關(guān)重要。

劉鵬等[4]基于雷諾平均(Reynolds average Navier-Stockes, RANS)方程利用二維面元法計算了擺幅角、翼間距及升沉幅度等因素對水下牽引機(jī)推進(jìn)性能的影響, 并給出小翼間距可產(chǎn)生更大推力的結(jié)論。Yang等[5]基于URANS方程利用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件FINE/Marine與STAR-CCM+聯(lián)合仿真了波浪滑翔器整個運(yùn)動周期。Caiti等[6]利用拉格朗日方法對波浪滑翔器縱垂面進(jìn)行建模分析, 求解了總體位移和速度與時間的對應(yīng)關(guān)系。賈立娟[7]利用Kane方法對波浪滑翔器進(jìn)行動力學(xué)建模, 分析了波浪滑翔器水下牽引機(jī)升阻比的影響因素。但上述研究主要集中在理論層面, 尚未在工程設(shè)計中給出水下牽引機(jī)細(xì)節(jié)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇依據(jù), 例如, 水下牽引機(jī)自重、彈簧勁度系數(shù)、水翼限位軸與轉(zhuǎn)動軸的距離等與推進(jìn)效率的對應(yīng)關(guān)系。

文中以“海哨兵”波浪滑翔器的牽引機(jī)結(jié)構(gòu)為研究對象, 在相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下分析水下牽引機(jī)自重與波浪滑翔器滑翔效率的對應(yīng)關(guān)系, 找到已有結(jié)構(gòu)下水下牽引機(jī)的最優(yōu)自重, 進(jìn)而確定最優(yōu)俯仰角。最后, 對波浪滑翔器的實際滑翔效率進(jìn)行了試驗, 在趨勢上驗證了理論分析、流體仿真和真實情況之間的一致性。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

波浪滑翔器是由水面浮體船、柔性鎧裝纜、水下牽引機(jī)組成的雙體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。水面浮體船在波浪的作用下產(chǎn)生上下起伏運(yùn)動, 通過柔性鎧裝纜拉拽水下牽引機(jī)上下運(yùn)動, 受迫垂向運(yùn)動的水下牽引機(jī)水翼與水質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對滑翔運(yùn)動, 水質(zhì)點(diǎn)對水翼產(chǎn)生前向作用力, 水下牽引機(jī)產(chǎn)生向前運(yùn)動, 反之, 水下牽引機(jī)通過柔性鎧裝纜帶動水面浮體船前向運(yùn)動, 其運(yùn)動過程如圖1所示。

圖1 波浪滑翔器運(yùn)動原理

為便于求解水下牽引機(jī)滑翔效率, 做出如下假設(shè): 1) 波浪滑翔器的垂向運(yùn)動完全符合波浪周期, 且為周期性正弦運(yùn)動; 2) 以6對水翼代表整個水下牽引機(jī), 不考慮水下牽引機(jī)其余部件的水動力影響; 3) 水下牽引機(jī)向下滑落時水翼保持最大滑翔角的時間為整個波浪周期的1/5, 下落位移為波高的1/2, 此狀態(tài)下水下牽引機(jī)在水中處于自由落體狀態(tài), 柔性鎧裝纜對水下牽引機(jī)不施加外力作用。

根據(jù)波浪滑翔器運(yùn)動特性, 其水翼的運(yùn)動規(guī)律如圖2所示。

圖2 水翼運(yùn)動曲線

2 數(shù)值模型

2.1 動力學(xué)模型

水翼受力情況如圖3和圖4所示, 利用牛頓-歐拉方程[8]建立水翼下滑過程中縱向速度、垂向速度的動力學(xué)模型, 用以揭示水翼運(yùn)動與自重和俯仰角的特征關(guān)系, 水翼動力學(xué)方程的顯式表達(dá)形式為

式中:為水翼質(zhì)量; d為仿真時間步長;為彈簧與水平方向夾角;為水動力合力;為水動力合力與水平方向夾角;為水翼重力;為水翼繞軸旋轉(zhuǎn)的角加速度;L為水翼相對于質(zhì)心方向的轉(zhuǎn)動慣量;F、F分別為在、方向上的分力;F為彈簧拉力, 由于文中著重研究水翼處于最大俯仰角的狀態(tài), 此狀態(tài)下, 彈簧與水翼的相對狀態(tài)不變, 彈簧拉力為恒定值。

圖3和圖4中:為水翼攻角;為水翼俯仰角;1為彈簧拉拽點(diǎn)與質(zhì)心的水平距離;2為旋轉(zhuǎn)軸與限位軸的距離;3為旋轉(zhuǎn)軸與質(zhì)心的距離。

圖3 水翼下滑受力情況示意圖

圖4 水翼上滑受力情況示意圖

文中由于水翼下滑時間1, 垂向位移≤1,因此, 水下牽引機(jī)水翼的最優(yōu)方程可以表達(dá)為式(2), 式中相關(guān)參數(shù)均由“海哨兵”波浪滑翔器已有數(shù)據(jù)測得, 其幾何參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 波浪滑翔器幾何參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)

2.2 仿真模型及參數(shù)

文中采用類NACA0012翼型[9]單對水翼進(jìn)行仿真, 水翼特征弦長=0.16 m, 質(zhì)心位置由SolidWorks確定并使之與原點(diǎn)重合, 利用CFD計算軟件FLUENT對二維水翼進(jìn)行仿真, 仿真模型計算域為15×20,為水翼弦長, 左邊界和上邊界距離翼型質(zhì)心的距離均為5, 全局網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格, 邊界層為10層, 并嚴(yán)格控制第1層網(wǎng)格高度+值小于60, 如圖5所示。

圖5 模型邊界及水翼近壁網(wǎng)格

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

表2 FLUENT網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3 數(shù)值計算仿真與分析

太平洋海況波譜如表3所示[10], 據(jù)表顯示太平洋中3級海況最為常見, 由于海況的復(fù)雜性和不確定性增加了對海浪系統(tǒng)性仿真的難度, 因此擬采用太平洋中最常見的3級海況進(jìn)行仿真以達(dá)到簡化的效果。

表3 太平洋海況波譜

利用6自由度動網(wǎng)格方法對水翼20°俯仰角下5~9 kg不同水翼質(zhì)量進(jìn)行仿真[11], 得到水翼縱向速度曲線見圖6。從圖中可知, 當(dāng)水翼質(zhì)量為2 kg時, 在初始的一段時間內(nèi)由于自身質(zhì)量較輕, 水翼尾緣分流效果作用明顯, 導(dǎo)致其存在非穩(wěn)狀態(tài): 水翼縱向速度達(dá)到約0.7 m/s后, 其運(yùn)動狀態(tài)逐漸穩(wěn)定, 且在0.25 s下滑時間內(nèi), 該質(zhì)量水翼的縱向速度遠(yuǎn)超其余情況縱向速度; 當(dāng)下滑時間較大時, 該質(zhì)量水翼運(yùn)動狀態(tài)趨于穩(wěn)定, 縱向加速度較小, 縱向速度小于其余質(zhì)量水翼的縱向速度。5~9 kg水翼的縱向運(yùn)動較為相似, 縱向速度隨著質(zhì)量的增加而增加。

圖6 不同質(zhì)量水翼縱向速度隨時間變化曲線

圖7給出了水翼的縱向位移曲線, 從圖中可以看出, 7.5 kg水翼更加吻合假定3)中關(guān)于下滑時間和下滑位移的設(shè)定, 因此將45 kg(7.5 kg×6)質(zhì)量視為水下牽引機(jī)最優(yōu)自重進(jìn)行下一步仿真。

圖7 不同質(zhì)量水翼縱向位移隨時間變化曲線

在最優(yōu)自重情況下, 分別對10°、15°、20°和25°俯仰角的縱向位移和下滑時間進(jìn)行仿真, 其結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖中可以看出, 當(dāng)水翼俯仰角在10°~20°范圍內(nèi)時, 其縱向位移隨著俯仰角的增大而增大; 在20°時達(dá)到峰值; 當(dāng)水翼俯仰角為25°時, 其縱向位移在初始一段時間內(nèi)較大, 但由于其俯仰角較大導(dǎo)致升力系數(shù)減小, 該俯仰角度的水翼在后續(xù)時間的縱向速度小于其他水翼。

圖8 不同俯仰角水翼縱向位移隨時間變化曲線

圖9 不同俯仰角水翼縱向速度隨時間變化曲線

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)繪得1 s時間內(nèi)不同俯仰角的水翼縱向位移曲線, 如圖10所示?？梢钥闯? 相同下滑時間時, 20°俯仰角有較大縱向位移; 當(dāng)俯仰角為25°時, 水翼的縱向位移逐漸減小, 因此認(rèn)為20°為水下牽引機(jī)在最優(yōu)自重情況下的最優(yōu)俯仰角。

圖10 1 s滑翔時間內(nèi)水翼縱向位移隨俯仰角變化仿真曲線

4 水池試驗與數(shù)據(jù)對比分析

4.1 水池試驗

為驗證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 現(xiàn)利用一定機(jī)構(gòu)進(jìn)行水池試驗驗證, 其結(jié)構(gòu)如圖11所示。定滑輪將水下牽引機(jī)固定在一定高度, 利用單一變量法將水下牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)仿真條件進(jìn)行相關(guān)調(diào)整, 具體試驗結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。將水下牽引機(jī)在水中自由釋放, 觀察記錄水下牽引機(jī)垂向位移0.5 m所需時間及其下滑的縱向位移。圖12為水下牽引機(jī)水池試驗現(xiàn)場照片。

圖11 水下牽引機(jī)水池試驗裝置結(jié)構(gòu)圖

表4 水下牽引機(jī)試驗結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖12 水下牽引機(jī)水池試驗

4.2 數(shù)據(jù)對比分析

由于試驗裝置的局限性, 并未對2 kg和20 kg翼重對應(yīng)的水下牽引機(jī)自重進(jìn)行試驗, 利用去最值平均法對每組參數(shù)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 將處理后的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 其結(jié)果如圖13~圖16所示。

圖13 20°俯仰角下仿真與試驗縱向位移對比曲線

圖14 20°俯仰角下仿真與試驗時間對比曲線

圖15 7.5 kg質(zhì)量下仿真與試驗縱向位移對比曲線

圖16 7.5 kg質(zhì)量下仿真與試驗時間對比曲線

從圖中可以看出, 試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在一定偏差, 分析存在如下原因。

1) 試驗過程中數(shù)據(jù)測量存在誤差。

2) 水池試驗裝置的邊界效應(yīng)明顯, 運(yùn)動過程中邊界擾流作用較大, 導(dǎo)致水下牽引機(jī)運(yùn)動與仿真存在一定偏差。

3) 仿真模型與實際試驗設(shè)備存在出入, 試驗?zāi)Ｐ椭谐碇獯嬖谄溆嗖考? 試驗過程中其余部件水阻力導(dǎo)致水下牽引機(jī)的試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在差別。

4) 仿真模型為單對水翼, 實際試驗?zāi)Ｐ蜑?對水翼, 水翼之間的流場擾動導(dǎo)致水翼實際受力與仿真存在偏差。

5 結(jié)束語

由于上文所述原因, 仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)存在一定出入, 但兩者總體趨勢相近。

該文僅考慮了水下牽引機(jī)對波浪滑翔器縱向速度的影響, 但在實際工作中, 波浪滑翔器的工作性能是水面浮體船和水下牽引機(jī)多種因素耦合產(chǎn)生的結(jié)果, 在今后的研究中將盡量向?qū)嶋H情況靠攏, 以便更真實的分析其影響因素。此外在數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性方面仍有提升空間。

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Gliding Dynamics Analysis for Underwater Tractor of Wave Glider

SUNXiu-jun1,2,3, WANGLi-wei1, SANGHong-qiang4

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China; 4. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The longitudinal velocity of wave glider is closely related to the structural parameters of the underwater tractor, especially, the self-weight of the underwater tractor and the maximum pitch angle of the hydrofoil are crucial. In this study, a dynamic model of the hydrofoil of the Sea Sentry wave glider was established by using the Newton-Euler equations to simulate the optimum weight of the underwater tractor and the optimum pitch angle of the hydrofoil in computational fluid dynamics(CFD) simulation software. Furthermore, the simulation results were compared with the test data. Due to the influence of various factors, there is a certain deviation between the two kinds of data, but the general trends are similar, and the data show that 20° pitch angle is the optimal pitch angle of hydrofoil. Under the level three sea condition, the self-weight of 45 kg can make the underwater tractor more suitable for wave characteristics in terms of gliding time and gliding displacement. The effects of the weight and pitch angle on propulsion efficiency were studied under the condition that some parameters were fixed, which provided reference for the subsequent parameter optimization and design of wave glider.

underwater tractor; hydrofoil; wave glider; self-weight; pitch angle

U674.941; O353.2

A

2096-3920(2020)03-0252-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.002

2019-10-11;

2019-11-19.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專項(2017YFC0305902); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB 0101); 天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金(18JCZDJC40100).

孫秀軍(1981-), 男, 教授, 碩導(dǎo), 主要研究方向為海洋移動觀測平臺技術(shù).

孫秀軍, 王力偉, 桑宏強(qiáng). 波浪滑翔器水下牽引機(jī)滑翔動力分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(1): 252-258.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)