魚(yú)型載體能量收集裝置水中繞流特性仿真

王 卓，王洪喜

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

目前大范圍海洋深度立體監(jiān)測(cè)困難重重[1]，傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)如航空遙感、海面觀測(cè)臺(tái)、水下潛標(biāo)及水下航行器等技術(shù)，雖然能夠獲得大面積淺層特征或特定區(qū)域觀測(cè)點(diǎn)的水下環(huán)境信息，但其在水下靈活性、適應(yīng)性及穩(wěn)定性等方面存在先天不足。海洋動(dòng)物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，具有良好的通訊、定位、導(dǎo)航和復(fù)雜海域適應(yīng)能力，如深潛、大范圍跨洋洄游等，是一種優(yōu)良的天然水下航行器。借助海洋動(dòng)物搭載監(jiān)測(cè)設(shè)備展開(kāi)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以有效地?cái)U(kuò)大探測(cè)范圍且延長(zhǎng)航時(shí)，有效避免了有源噪聲問(wèn)題，已成為未來(lái)水下移動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向[2-5]。但其供電問(wèn)題成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。為此，迫切需要研究以海洋動(dòng)物為載體的高效能量收集技術(shù)。

近年來(lái)，從環(huán)境中獲取能量的微能量收集技術(shù)為無(wú)線傳感器的供電提供了一條解決途徑。受制于海洋特殊的應(yīng)用環(huán)境，常規(guī)的能量收集裝置難以直接用于海洋流體環(huán)境的能量收集，尤其是海洋動(dòng)物游動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換。自20世紀(jì)90年代，逐漸開(kāi)始研制與開(kāi)發(fā)流致振動(dòng)發(fā)電設(shè)備，至今已取得了一定的研究成果，包括壓電式與電磁式兩類[6-8]。由于電磁式能量收集結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、能量收集密度低，不能滿足傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成化與微小化的應(yīng)用需求。隨著微型壓電振動(dòng)俘能技術(shù)的發(fā)展，流致振動(dòng)的微型壓電流體能量收集器的研究受到更廣泛關(guān)注。

本文根據(jù)水流的渦激振動(dòng)原理，構(gòu)建了一種以海洋動(dòng)物為載體的壓電式能量收集裝置。由于水下環(huán)境復(fù)雜，理論和實(shí)驗(yàn)研究存在諸多條件限制，因而數(shù)值仿真已成為研究柱體繞流的有效手段。文中采用S-A模型下的DES方法進(jìn)行數(shù)值仿真，研究尾流特征并分析了阻流體直徑尺寸與流速對(duì)旋渦脫落的影響，以期為后續(xù)工程研究提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)了一套能量收集實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)[9-12]，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成，即水泵提供的流速可調(diào)節(jié)的流場(chǎng)區(qū)域、渦激振動(dòng)產(chǎn)生與能量收集的實(shí)驗(yàn)腔體以及實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電部分，如圖1所示。

圖1 能量收集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

1.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前所設(shè)計(jì)的渦激振動(dòng)能量收集系統(tǒng)裝置具有局限性，它僅僅是為研究某一壓電收集裝置發(fā)電效率而搭建，在面對(duì)以海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和動(dòng)物軌跡監(jiān)測(cè)自適應(yīng)能量收集系統(tǒng)研究的背景下就不適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)針對(duì)這一局限性提出解決辦法，壓電能量收集裝置固定安裝在魚(yú)形載體上，所設(shè)計(jì)的魚(yú)形載體如圖2所示，可以進(jìn)行左右擺動(dòng)使其盡可能模擬海洋動(dòng)物的活動(dòng)姿態(tài)。為了使發(fā)電部分很好的固定在魚(yú)形載體上，且便于零件安裝與拆卸，因此設(shè)計(jì)出如圖3所示的固定裝置。圖4所示為魚(yú)形載體能量收集裝置示意圖。

圖2 魚(yú)形載體

圖3 發(fā)電裝置安裝示意圖

圖4 載體裝配后展示圖

實(shí)驗(yàn)腔作為渦激振動(dòng)產(chǎn)生與能量收集的場(chǎng)所是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要部分，如圖5所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，需對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)部魚(yú)形載體能量收集裝置所在場(chǎng)域進(jìn)行流體仿真分析。

圖5 實(shí)驗(yàn)腔體爆炸視圖

1.2 主要設(shè)備選型

1.2.1 水泵

由于實(shí)驗(yàn)要求流速可調(diào)，而計(jì)量泵性能優(yōu)越，其中隔膜式計(jì)量泵安全性能高，計(jì)量輸送精確，流量可以從零到最大定額值范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，壓力可從常壓到最大允許范圍內(nèi)任意選擇。調(diào)節(jié)直觀清晰，工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、體積小、重量輕、維護(hù)方便，可并聯(lián)使用。查閱資料對(duì)比之下，選用上海申貝泵業(yè)制造有限公司的SJM4-3898/0.4機(jī)械隔膜計(jì)量泵，該型號(hào)水泵參數(shù)如表1所示。

表1 水泵參數(shù)表

1.2.2 阻流體

由于本文為以海洋動(dòng)物為載體的微區(qū)間小型傳感器設(shè)備供電，實(shí)驗(yàn)設(shè)定模擬流速為1～10 m/s。當(dāng)雷諾數(shù)Re在300～3×105區(qū)間內(nèi)，處于亞臨界區(qū)的圓柱繞流有著豐富的特性。根據(jù)雷諾公式（1），可計(jì)算出圓柱的直徑范圍約為0.000 302 1 m≤L≤0.030 21 m。由于直徑尺寸為0.000 302 1 m的圓柱并沒(méi)有實(shí)際的意義。綜合裝置預(yù)留空間以及從仿真建模的角度和實(shí)驗(yàn)的可操作性來(lái)考慮，將圓柱直徑設(shè)定為0.005 m＜L≤0.030 m，在此范圍內(nèi)，圓柱結(jié)構(gòu)可以發(fā)生渦激振動(dòng)。

為便于與黃片安裝固定，初步設(shè)定其尺寸為直徑10 mm、高33 mm。

式中：U為流體的來(lái)流速度，m/s；L為圓柱結(jié)構(gòu)的直徑（對(duì)于圓柱結(jié)構(gòu)在均勻流速的環(huán)境中），m；ν為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)，m2/s，常溫下水的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)ν=1.007×10-6m2/s。

2 仿真方法及驗(yàn)證

2.1 模型建立與仿真實(shí)驗(yàn)方案

假設(shè)：實(shí)際魚(yú)形載體能量收集裝置是運(yùn)動(dòng)的，水流體介質(zhì)是靜止的，文中假設(shè)能量收集裝置靜止不動(dòng)，賦予流體水介質(zhì)相對(duì)速度即來(lái)流速度U，來(lái)研究裝置柱體繞流，并認(rèn)為二者是等效的。

所構(gòu)造的流場(chǎng)模型如圖6所示：中心流場(chǎng)長(zhǎng)430 mm，寬120 mm，高100 mm，流體出入口管道長(zhǎng)度設(shè)定140 mm，管徑26 mm；右端為水流入口，距阻流體中心422 mm；左端為出口邊界，定義為壓力流出邊界，阻流體直徑為10 mm，連接在長(zhǎng)47 mm，寬28 mm，厚度0.08 mm的薄板上并位于中間魚(yú)形載體左側(cè)8 mm處。為了使水流加強(qiáng)對(duì)阻流體的沖擊在魚(yú)形載體右側(cè)放置了擋板進(jìn)行阻隔。

圖6 三維流場(chǎng)模型

本文使用SolidWorks軟件進(jìn)行三維流場(chǎng)模型的繪制，因?yàn)檠b置中具有厚度2 mm的過(guò)濾孔板，為了方便之后網(wǎng)格劃分，加強(qiáng)網(wǎng)格質(zhì)量，繪制三維流體模型時(shí)劃分了3個(gè)模塊，在過(guò)濾板孔板左右25 mm處劃分。

由于三維分析占用計(jì)算資源過(guò)大，因此簡(jiǎn)化仿真模型進(jìn)行二維模型的流場(chǎng)仿真分析。圖7所示為計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域二維模型。

圖7 二維模型

2.2 網(wǎng)格劃分及湍流模型

柱體繞流是由柱體外圍邊界層復(fù)雜湍流流動(dòng)引起的，所以網(wǎng)格質(zhì)量直接影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果。在Gambit軟件中進(jìn)行二維模型的網(wǎng)格劃分。為了準(zhǔn)確觀測(cè)旋渦脫落的形態(tài)，對(duì)柱體周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密。在不影響計(jì)算精度的情況下，為了減小計(jì)算資源的占用，加快計(jì)算速度，網(wǎng)格密度圓柱中心向四周逐漸減小。得到如圖8所示的模型網(wǎng)格圖。模型總體網(wǎng)格數(shù)為1.27×105個(gè)。

圖8 網(wǎng)格劃分

計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)主要有3種方法：直接數(shù)值模擬方法、尺度解析模擬方法和雷諾時(shí)均模擬方法。ANSYS FLUENT19.0提 供 了8種 湍流模型。應(yīng)根據(jù)研究目的盡可能選擇適合的模型。常用湍流模型如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，但是仿真效果并不理想。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及仿真嘗試，最終選取分離渦湍流模型（DES）。分離渦模擬是一種雷諾平均（RANS）與大渦模擬（LES）相結(jié)合的方法。其基本原理：在近壁區(qū)采用RANS方法模擬，用湍流模型模擬其中的小尺度脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)；在遠(yuǎn)離物面的區(qū)域，用LES方法模擬來(lái)捕捉大尺度的分離流動(dòng)。

仿真進(jìn)口速度設(shè)置1 m/s。非穩(wěn)態(tài)設(shè)置需要進(jìn)行步長(zhǎng)等參數(shù)設(shè)定。時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.05 s，時(shí)間步數(shù)為1 000步，每次迭代的最大步數(shù)為20步。流體介質(zhì)取為水介質(zhì)。

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)魚(yú)型載體的水下設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)方案，以來(lái)流速度為1 m/s來(lái)研究魚(yú)形載體能量收集裝置水下流場(chǎng)特性、升力和阻力的變化規(guī)律。

3.1 升力系數(shù)、阻力系數(shù)及斯特勞哈爾數(shù)

渦激振動(dòng)是當(dāng)流體繞過(guò)非流線型柱形體時(shí)，固體后產(chǎn)生的交替脫落的渦旋脫落導(dǎo)致固體振動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)來(lái)流沖擊阻流體，來(lái)流作用于柱體上的作用力分為與來(lái)流方向垂直的脈動(dòng)升力和來(lái)流方向一致的阻力。脈動(dòng)升力主要是由于渦街形成時(shí)旋渦交替自柱體脫落而使柱體兩側(cè)壓力產(chǎn)生脈動(dòng)而造成的。阻力主要是流體繞流柱體時(shí)由于表面摩擦阻力和柱體前后壓差造成的。

升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd是描述繞流對(duì)柱體作用力的重要參數(shù)。斯特勞哈爾數(shù)Str則是描述旋渦脫落非定常性的特征參數(shù)，反映了繞流對(duì)柱體作用的非定常特征。三者定義分別為：

式中：Fl為圓柱受到的橫向力；Fd為圓柱受到的流動(dòng)方向的力；f為旋渦脫落頻率；u0為均勻來(lái)流速度。

3.2 尾流特征討論

求解結(jié)果如圖9所示，由速度云圖可看出阻流體后端產(chǎn)生的尾流發(fā)散，并未出現(xiàn)周期性脫落的旋渦。為探究其結(jié)果影響因素進(jìn)行了結(jié)構(gòu)對(duì)比。由圖可知尾流部分長(zhǎng)度與所留出口長(zhǎng)度相近，考慮可能出口流場(chǎng)過(guò)短限制了圓柱繞流后卡門渦街現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此加長(zhǎng)出口流場(chǎng)進(jìn)行仿真，出口流場(chǎng)在原來(lái)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)300 mm；其次考慮流場(chǎng)中過(guò)濾孔板和魚(yú)形載體對(duì)結(jié)果的影響。

圖9 速度云圖

圖10所示為仿真對(duì)比。由圖中（a）、（b）相較可以看出過(guò)濾板對(duì)結(jié)果的影響較大，過(guò)濾孔板的作用為使泵出口水流能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而在二維模型中并不能很好的體現(xiàn)出它的作用。圖（c）為去除魚(yú)形載體后的仿真結(jié)果圖，去除載體后加大了過(guò)流面積流速顯著降低，而流速對(duì)渦激振動(dòng)現(xiàn)象而言是一個(gè)重要的影響參數(shù)。所以僅圖（c）不能說(shuō)明魚(yú)形載體的影響。因此以載體和壁面為邊界截出新的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行仿真，如圖（d）所示，可以清楚的看見(jiàn)尾部有明顯的抖動(dòng)。

圖10 設(shè)置變量結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)二維模型中過(guò)濾孔板對(duì)結(jié)果影響最大，魚(yú)形載體影響較小。為得到有價(jià)值的仿真效果，對(duì)二維模型進(jìn)行優(yōu)化，首先加長(zhǎng)進(jìn)口流場(chǎng)，設(shè)定進(jìn)口流速為經(jīng)過(guò)過(guò)濾板且流經(jīng)一段距離后穩(wěn)定的水流流速，同時(shí)加長(zhǎng)出口流場(chǎng)以取消流場(chǎng)過(guò)小對(duì)尾流特征的影響。

3.3 優(yōu)化后模型的有限元流場(chǎng)仿真分析

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，流場(chǎng)區(qū)域大小對(duì)結(jié)果影響較大，因此加大流場(chǎng)長(zhǎng)度，流場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)800 mm，寬120 mm，橢圓圓心距入口300 mm。優(yōu)化后模型網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)為2.3×104個(gè)。如圖11所示。

圖11 網(wǎng)格劃分

圖12所示為阻流體直徑10 mm，來(lái)流速度1 m/s情況下，采用DES模型得到的速度云圖。由圖可看出優(yōu)化的二維模型可以較好的模擬出本文流場(chǎng)中圓柱繞流情況。

圖12 速度云圖

3.4 不同流速下的尾流狀態(tài)及升力阻力

首先選取阻流體直徑為10 mm、15 mm、20 mm三種尺寸，在0.1 m/s、0.2 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、9 m/s九種來(lái)流速度下進(jìn)行分析，得到升力阻力時(shí)間歷程曲線圖及不同參數(shù)下的流線圖，如圖13和圖14所示。為保證結(jié)果的可對(duì)比性，設(shè)定一樣的計(jì)算時(shí)間。時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.05 s，時(shí)間步數(shù)為600步，每次迭代的最大步數(shù)為20步。

圖13 不同參數(shù)下的升力阻力時(shí)間歷程曲線

圖14 不同參數(shù)下的流線

圓柱繞流會(huì)產(chǎn)生渦街效應(yīng)，渦街形成時(shí)旋渦交替自柱體脫落，柱體作用周期性變化的脈動(dòng)升阻力，導(dǎo)致柱體振動(dòng)。因此可以通過(guò)分析作用于圓柱的脈動(dòng)升力，來(lái)預(yù)判不同阻流體尺寸與來(lái)流速度下，實(shí)驗(yàn)中柱體產(chǎn)生振動(dòng)效果的好壞。圖15所示為3種尺寸在不同來(lái)流速度下，F(xiàn)lmax-Flmin的變化折線圖?？煽闯?，在一定流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加Flmax-Flmin差值越大，且相較于10 mm與20 mm，阻流體直徑為15 mm時(shí)，作用于主體的升力Flmax-Flmin差值更大。因此可預(yù)判，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中選用直徑為15 mm阻流體時(shí)，更易達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖15 不同來(lái)流速度下Fl max-Fl min示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用FLUENT19.0仿真軟件對(duì)基于渦激振動(dòng)能量收集裝置流場(chǎng)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化二維模型仿真分析，但是所得結(jié)果并不理想。為探究影響因素，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行單一變量分析，對(duì)比結(jié)果推斷過(guò)濾孔板對(duì)仿真結(jié)果影響最大，魚(yú)形載體影響較小，出口流場(chǎng)區(qū)域過(guò)小可能會(huì)改變尾流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；诖藢?duì)二維模型進(jìn)行優(yōu)化，加長(zhǎng)流場(chǎng)區(qū)域，去除過(guò)濾板，流場(chǎng)入口流速即為經(jīng)過(guò)過(guò)濾板且流經(jīng)一段距離后穩(wěn)定的水流流速。進(jìn)行模型優(yōu)化后再次進(jìn)行仿真分析，探究阻流體尺寸及來(lái)流速度對(duì)渦街脫落的影響。分析阻流體尺寸為10 mm、15 mm、20 mm時(shí)，在9組不同來(lái)流速度下的漩渦脫落狀況以及一定時(shí)間內(nèi)升阻力歷程曲線。最后得出了本文研究的渦致振動(dòng)能量收集器中阻流體直徑為15 mm最優(yōu)的結(jié)論。

文中的研究結(jié)果對(duì)于以海洋動(dòng)物為載體的能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。但是基于渦激振動(dòng)能量收集裝置的研究和相關(guān)參數(shù)檢測(cè)仍然有許多工作有待于進(jìn)一步開(kāi)展。對(duì)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行流-固-電多項(xiàng)耦合分析，可分析能量收集器在水流的作用下模態(tài)的變化，以及對(duì)壓電材料能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)后處理可得出收集器發(fā)生渦激振動(dòng)的最佳模態(tài)。因此，在后續(xù)工作中有必要嘗試開(kāi)展多項(xiàng)耦合分析。