波浪能滑翔機理論和數值計算研究現狀

楊富茗，王大政（哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江　哈爾濱 150001）

波浪能滑翔機理論和數值計算研究現狀

楊富茗，王大政
（哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

波浪能滑翔機是一款基于波浪能驅動的自主海洋移動監測平臺，將波浪作用于海面浮體的升沉運動轉化為前進運動，可實時、大范圍、長時間完成不同海況下的海洋監測。文中首先介紹波浪能滑翔機的結構組成、運動原理以及在海洋觀測中的應用，接著主要論述近年來國內外波浪能滑翔機理論和數值計算研究內容，并基于國內外波浪能滑翔機多體系統動力學和水動力學研究現狀的分析，提出我國在波浪能滑翔機水動力方面存在的不足及其今后重點研究的建議。

波浪能滑翔機；多體系統動力學；水動力學；研究進展

0　引　言

波浪能滑翔機是由美國 Liquid Robotics 公司經過 4年研發于 2009 年成功完成美國西海岸的長距離海試，現已擴展混合動力（SV3）、極地海洋調查（Pac-X）等多個型號［1，2］。波浪能滑翔機不同于傳統小尺度通過攜帶電池作為主要能源的海洋觀測平臺，它將水下滑翔機與水面船舶結合成為一種完全依靠波浪能作為動力，可在廣闊海洋中長時間完成水面和水下監測跟蹤任務，同時也可減少意外性丟失。

波浪能滑翔機由柔性纜繩的水面母船和水下滑翔機構兩部分組成（見圖 1），水面母船外形采用 V 型船首設計，同時船底安裝固定鰭可增加轉首力矩；水下滑翔機構由 6 對縱向緊密排列對稱水翼和平板框架組成［3］。

波浪能滑翔機工作原理是利用水面母船隨波浪的升沉運動，通過柔性纜繩帶動水下滑翔機構，使其產生水平方向拉力，帶動母船一起，沿波浪驅動機構縱向方向前進。當水面母船隨波浪上升時，通過纜繩帶動水下滑翔驅動機構上升，同時水下滑翔機構的水翼繞自身定軸轉動至限位處產生水平方向的拉力，沿波浪驅動機構縱向方向前進（見圖 2）；當水面母船隨波浪下降時，水下滑翔機構依靠自身重力，使其水翼產生水平方向拉力，帶動水面母船從而使波浪能滑翔機沿縱向前進。

波浪能滑翔機的成功研制同樣吸引許多海洋科學家的目光，水面母船可作為移動氣象站，海事自動識別系統，通過衛星通信等設備可全天候實時傳輸數據；水下滑翔機構可搭載多普勒流速傳感器、水聽器、溫鹽深傳感器等海洋跟蹤監測設備［4 - 6］，這些成功運用吸引多個國家開始研發波浪能滑翔機。

圖 1　波浪能滑翔機結構組成Fig. 1　The composition of wave glider

圖 2　波浪能滑翔機運動原理Fig. 2　The motion principle of wave glider

1　波浪能滑翔機理論研究現狀

1.1國外研究現狀

目前，美國在波浪能滑翔機方面具有成熟技術，同時經過大量海試驗證該平臺的可靠性和應用價值，但該平臺所屬 Liquid Robotics 公司商業研發保密以及被美國軍方采用作為瀕海監測網絡一員，公開發表的理論研究文章較少。

Ryan N Smith等［7］分別應用線性回歸和高斯回歸模型討論影響波浪能滑翔機運動的環境參數，通過輸入有義波高、波周期、風速、海流等海洋環境參數計算波浪能滑翔機前進速度。該研究可根據不同的海洋環境參數預測波浪能滑翔機在指定時間內的運動范圍。

Nicholas D. Kraus等［8-9］參考并采用 Liquid Robotics公司的波浪能滑翔機的外形設計參數，根據牛頓力學的動量定理和動量矩定理，基于波浪能滑翔機各部分質量固定假設，同時考慮到風、流影響、系統附加質量以及斯托克斯深水波理論建立六自由度非線性動力學方程，旨在確定水動力關鍵技術參數。考慮阻尼、恢復力以及重力作用，經慣性坐標系和載體坐標系轉換將三維六自由度水動力方程簡化為二維無舵偏轉且僅含有縱傾的運動方程，經線性化后的方程更加便于控制和估算。通過使用經驗公式方法估算波浪能滑翔機各部分水平以及橫向阻力等相關水動力參數，其中水面母船和水下滑翔機構的軸向阻力采用在海洋中拖拽的實驗方法確定。在實驗方面，波浪能滑翔機搭載GPS，慣性測量單元（IMU）以及無線電發射裝置在夏威夷海岸進行為期 3 天的海試。而后采用歐拉模型，PID 控制方法同時忽略波浪能滑翔機各機構的轉動運動通過數值積分方法模擬航跡、轉向和穩定性計算，通過與采用EKF濾波方法對海試數據處理比較發現，建立的水動力模型具有準確性。

1.2國內研究現狀

目前，從公開發表的文獻可知，國內研究波浪能滑翔機的單位主要有國家海洋中心、哈爾濱工程大學、中科院沈陽自動化研究所、浙江大學及中船重工第 701 研究所等。

1.2.1研究內容

迄今為止，國內在波浪能滑翔機理論研究的主要內容有：

1）多體系統動力學模型

通過對波浪能滑翔機做詳細受力分析，建立二維非線性波浪能滑翔機動力學方程，采用 Kane 方法、拉格朗日力學模型，同時忽略掉風、海流、水面母船和水下滑翔機構的耦合作用等隨時間變化的因素。

2）水動力學 CFD 技術方法

根據邊界層理論對水面母船做三維粘性不可壓縮定常做靜水阻力計算；根據波浪線性理論（Airy 微振幅理論）解決船體水動力學問題；根據機翼理論對水下滑翔機構整體和水翼做定常計算分析。

1.2.2數值模擬

近幾十年，隨著多體系統動力學和水動力學 CFD技術商業軟件的飛速發展，目前國內外數值模擬方法大部分采用多體系統動力學為主，水動力學 CFD 技術定常計算方程參數。

賈麗娟等［10 - 12］利用 CFD 技術商業軟件 Fluent 分別對關鍵結構做水動力定常計算分析，通過對比計算平板和 NACA 翼型在不同來流速度、不同水翼間隔分布情況下的升阻比值，選取 NACA0006 翼型和 20 mm 間距作為設計參數；通過選定翼型和間距同時考慮到 4級海況，計算確定旋轉最大角度為 18°。基于波浪滑翔機的結構選取在縱向平面內建立含有 3 個自由度（前進、升沉、縱傾）動力學方程，采用多體動力學 Kane方法，略去方程高階形式，同時忽略水面母船和水下滑翔機構間的耦合作用，利用軟件 Matlab 對水面母船、水下滑翔機構、纜繩數模模擬可知波浪能滑翔機系統在一個波周期內前進速度先減速后加速。

Akaddin Elhadad等［13 - 14］使用較為準確的數值方法預報船舶阻力，最小限度依賴傳統的經驗公式設計方法，分別采用 4 m 和 2 m Wigley 船型作為波浪能滑翔機水面船舶研究對象，使用商業軟件 Gambit 對三維船型劃分 3 種不同網格來驗證計算的準確性，Fluent 作為數值模擬求解軟件，采用三維不可壓縮兩相湍流的粘性定常方法計算模擬傅汝德數在 0.1 ～ 0.4 之間的阻力，并且與 ITTC 水池實驗數據比較發現具有非常好的一致性。

田寶強等［15 - 17］基于對波浪能滑翔機各部分質量固定、水面母船縱傾、忽略纜繩質量等假設，在縱向剖面根據拉格朗日力學模型，D-H 坐標系方法建立運動方程；根據波浪線性理論且考慮到系統附加質量在不同波高、不同波周期設計參數情況下，通過對波浪能滑翔機前進速度、纜繩角速度仿真計算分析發現在波高或波周期相同情況下，波周期越小、波高越大，波浪能滑翔機前進速度增大、纜繩的角速度增大。

俞建成等［18］旨在分析波浪能滑翔機的運動效率，根據波浪線性理論得出包含動能和勢能的波能總能量，接著得出波浪能量輸入功率建立運動效率公式，即水下滑翔機構前進水平方向的動力功率與波浪能量輸入功率之比，通過公式可以看出平臺效率與波高的二次方成反比，波浪周期成正比，水平速度的三次方成正比。通過實驗方法驗證對輸入不同波高、波周期和水翼旋轉角度得出對波浪能滑翔機運動效率的影響，通過實驗發現速度對波浪能滑翔機的影響超過波浪周期，這些所做為水動力模型和運動效率優化分析作為指導。

鄭炳歡等［19］對水下滑翔機構的水翼定常分析，采用NACA63-412 非對稱翼型，同時假設波浪誘導流速是恒定值，周圍壓力足夠高且無空化現象，通過軟件數值模擬計算與經驗公式計算對比分析水翼產生阻力的因素并且優化水翼設計參數，通過對比計算表明水翼的旋轉角度為 45° 時水翼產生的水平推力達到極大值。

李小濤等［20 - 21］分析波浪能滑翔機各部分影響其吸收和利用波浪能的因素并分析在不同海浪等級條件下波浪滑翔機獲取的波浪能和水下滑翔體前行的推力。利用 CFD 軟件 Fluent 對水面母船不同來流方向和不同吃水做靜水阻力計算并與經驗公式對比發現趨勢相同；同時水下滑翔機構的水翼選取 NACA0016 翼型，分別采用 6 對和 7 對水翼、旋轉固定為 ± 30° 時在不同來流攻角情況下做定常阻力計算。基于 CFD 計算結果，對水面母船、纜繩、水下滑翔機構做理論動力學非線性分析，以多體動力學軟件 ADAMS 和數值計算軟件 Matlab/Simulink 跨平臺聯合仿真形式對波浪滑翔機系統分別在 1 級和 3 級海況以及 9 級極端海況下、3 ～ 5 m 纜繩長度模擬耦合運動。

2　國內外研究現狀分析

縱觀波浪能滑翔機理論研究的國內外現狀，可以看出：

1）波浪能滑翔機研究國外領先。國內外波浪能滑翔機理論研究公開發表文獻數量較少，國內相對于國外較多，國內學者從多體動力學、水動力學角度分析且采用數值仿真模擬與實驗數據相結合的方式，但都處于樣機試制階段；國外特別是美國研究領先，已先后發展多個版本、規模量產階段，我國在波浪能滑翔機研究水平和美國先進水平相比還有相當大的差距。

2）我國波浪能滑翔機理論研究處于初步階段。目前國內外主要研究在二維縱剖面內做理論分析建立運動方程，但對水面母船和水下滑翔機構分塊研究較少，尤其是作為系統推進部分的水下滑翔機構應為研究重點；由于波浪不確定性，水下滑翔機構在一個波周期內運動處于時刻變化的過程，單一的固定水翼角度做定常分析無法滿足設計要求；同時水翼在對稱與非對稱機翼的選取、水翼水平排列相互間影響、以及在不同海況下確定旋轉角度如何尋求最大效能、三維六自由度波浪能滑翔機系統耦合運動分析成為今后研究重點。

3）CFD 技術成為波浪能滑翔機水動力研究的有效手段。國內外數值模擬為多體動力學和水動力學軟件模擬；多體動力學軟件仿真模擬通過建立非線性運動方程形式可快速對系統運動做快速預報，但方程計算參數大多采用經驗公式估算；隨著計算機科學技術的飛速發展及多功能模塊開發和應用，功能日趨強大，使基于 CFD 的數值計算方法和試驗方法相輔相成，尤其在參數化設計計算研究方面優于模型試驗，基于CFD 技術對設計部件以及系統采用動網格技術做非定常分析。

3　結　語

波浪能滑翔機采用新穎設計，有別于傳統海洋移動監測平臺，它完全依靠波浪能和太陽能作為動力推進，可攜帶多種海洋監測設備完成監測任務，將成為連接水下和陸地通信的中轉平臺，目前國內對此研究處于起步階段，通過借鑒國外研究成果，走自主創新之路，希望國家投入更多的科研經費，進一步完善優化設計，掌握核心技術，為豐富我國海洋移動監測平臺提供有力支撐。

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Research status on theory and numerical calculation of wave glider

YANG Fu-ming，WANG Da-zheng
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The wave glider is an autonomous surface platform driven by wave power，it converts the heave motion of the floating body acted by wave power into forward movement，so it can complete the persistent observation in a variety of marine environment，real-time，and large scope. This paper firstly presents the composition，propulsion of wave glider and its applications. And then discuss the status of research on theory and numerical calculation. Some advancing front of research subjects of the mutibody system dynamics and hydrodynamic of wave glider are analyzed，and current problems and some suggestions for future research.

wave glider；mutibody system dynamics；hydrodynamic；research progress

V277；TV131.2

A

1672 - 7619（2016）08 - 0001 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.001

2016 - 01 - 15；

2016 - 03 - 15

國家高技術研究發展計劃資助項目（2014AA09A507）

楊富茗（1987 - ），男，博士研究生，研究方向為波浪滑翔機水動力特性計算與混合驅動高效螺旋槳設計。