波浪滑翔器水下牽引機滑翔動力分析

孫秀軍, 王力偉, 桑宏強

波浪滑翔器水下牽引機滑翔動力分析

孫秀軍1,2,3, 王力偉2, 桑宏強4

(1. 河北工業大學 機械工程學院, 天津, 300130; 2. 中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島, 266100; 3. 青島海洋與技術試點國家實驗室, 山東 青島, 266237; 4. 天津工業大學 機械工程學院, 天津, 300387)

波浪滑翔器的縱向速度與水下牽引機結構參數有很大關系, 其中水下牽引機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模型, 對最優自重及最優角度進行計算流體力學仿真, 并將仿真結果與試驗數據進行對比分析。分析結果可知, 受到多種因素的影響, 兩者數據存在一定偏差, 但兩者總體趨勢相近, 數據顯示20°俯仰角為水翼的最優俯仰角, 3級海況條件下, 45 kg的自重使得水下牽引機在下滑時間和下滑位移方面更加匹配波浪特性。文中在部分參數確定的情況下, 研究自重和俯仰角對波浪滑翔器推進效率的影響, 可為波浪滑翔器后續的參數優化和設計提供參考。

水下牽引機; 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將波浪能轉化為前向動能的水面無人航行器, 具有工作時間長、位置自主可控等優點, 可廣泛應用于水文氣象觀測、水質生態調查、衛星遙感驗證以及水面通信中繼等領域[1-3]。當前, 如何提升波浪滑翔器的運動速度逐漸成為該領域的研究焦點之一。提升波浪滑翔器的運動速度也就是提高波浪滑翔器的波浪動力轉化效率。波浪動力轉化效率主要取決于波浪滑翔器的雙體結構參數以及水下牽引機的結構參數等。對于水下牽引機來說, 其自重、翼板翼型和翼板彈簧機構等參數選擇, 以及不同參數的組合對波浪轉化效率都會產生不同程度的影響, 在各個參數相互耦合的關系中, 找出波浪動力轉化效率的優化路線以及完成耦合參數的優選, 對波浪滑翔器的運動速度提升至關重要。

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推進性能的影響, 并給出小翼間距可產生更大推力的結論。Yang等[5]基于URANS方程利用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)軟件FINE/Marine與STAR-CCM+聯合仿真了波浪滑翔器整個運動周期。Caiti等[6]利用拉格朗日方法對波浪滑翔器縱垂面進行建模分析, 求解了總體位移和速度與時間的對應關系。賈立娟[7]利用Kane方法對波浪滑翔器進行動力學建模, 分析了波浪滑翔器水下牽引機升阻比的影響因素。但上述研究主要集中在理論層面, 尚未在工程設計中給出水下牽引機細節機構的參數選擇依據, 例如, 水下牽引機自重、彈簧勁度系數、水翼限位軸與轉動軸的距離等與推進效率的對應關系。

文中以“海哨兵”波浪滑翔器的牽引機結構為研究對象, 在相關結構參數確定的情況下分析水下牽引機自重與波浪滑翔器滑翔效率的對應關系, 找到已有結構下水下牽引機的最優自重, 進而確定最優俯仰角。最后, 對波浪滑翔器的實際滑翔效率進行了試驗, 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 結構組成及工作原理

波浪滑翔器是由水面浮體船、柔性鎧裝纜、水下牽引機組成的雙體結構系統。水面浮體船在波浪的作用下產生上下起伏運動, 通過柔性鎧裝纜拉拽水下牽引機上下運動, 受迫垂向運動的水下牽引機水翼與水質點發生相對滑翔運動, 水質點對水翼產生前向作用力, 水下牽引機產生向前運動, 反之, 水下牽引機通過柔性鎧裝纜帶動水面浮體船前向運動, 其運動過程如圖1所示。

圖1 波浪滑翔器運動原理

為便于求解水下牽引機滑翔效率, 做出如下假設: 1) 波浪滑翔器的垂向運動完全符合波浪周期, 且為周期性正弦運動; 2) 以6對水翼代表整個水下牽引機, 不考慮水下牽引機其余部件的水動力影響; 3) 水下牽引機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, 此狀態下水下牽引機在水中處于自由落體狀態, 柔性鎧裝纜對水下牽引機不施加外力作用。

根據波浪滑翔器運動特性, 其水翼的運動規律如圖2所示。

圖2 水翼運動曲線

2 數值模型

2.1 動力學模型

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、垂向速度的動力學模型, 用以揭示水翼運動與自重和俯仰角的特征關系, 水翼動力學方程的顯式表達形式為

式中:為水翼質量; 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;為水翼繞軸旋轉的角加速度;L為水翼相對于質心方向的轉動慣量;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, 此狀態下, 彈簧與水翼的相對狀態不變, 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為彈簧拉拽點與質心的水平距離;2為旋轉軸與限位軸的距離;3為旋轉軸與質心的距離。

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, 水下牽引機水翼的最優方程可以表達為式(2), 式中相關參數均由“海哨兵”波浪滑翔器已有數據測得, 其幾何參數及動力學參數如表1所示。

表1 波浪滑翔器幾何參數及動力學參數

2.2 仿真模型及參數

文中采用類NACA0012翼型[9]單對水翼進行仿真, 水翼特征弦長=0.16 m, 質心位置由SolidWorks確定并使之與原點重合, 利用CFD計算軟件FLUENT對二維水翼進行仿真, 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心的距離均為5, 全局網格采用非結構性網格, 邊界層為10層, 并嚴格控制第1層網格高度+值小于60, 如圖5所示。

圖5 模型邊界及水翼近壁網格

2.3 網格無關性驗證

表2 FLUENT網格無關性驗證

3 數值計算仿真與分析

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

表3 太平洋海況波譜

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

圖6 不同質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)中關于下滑時間和下滑位移的設定, 因此將45 kg(7.5 kg×6)質量視為水下牽引機最優自重進行下一步仿真。

圖7 不同質量水翼縱向位移隨時間變化曲線

在最優自重情況下, 分別對10°、15°、20°和25°俯仰角的縱向位移和下滑時間進行仿真, 其結果如圖8和圖9所示。從圖中可以看出, 當水翼俯仰角在10°~20°范圍內時, 其縱向位移隨著俯仰角的增大而增大; 在20°時達到峰值; 當水翼俯仰角為25°時, 其縱向位移在初始一段時間內較大, 但由于其俯仰角較大導致升力系數減小, 該俯仰角度的水翼在后續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

根據仿真數據繪得1 s時間內不同俯仰角的水翼縱向位移曲線, 如圖10所示。可以看出, 相同下滑時間時, 20°俯仰角有較大縱向位移; 當俯仰角為25°時, 水翼的縱向位移逐漸減小, 因此認為20°為水下牽引機在最優自重情況下的最優俯仰角。

圖10 1 s滑翔時間內水翼縱向位移隨俯仰角變化仿真曲線

4 水池試驗與數據對比分析

4.1 水池試驗

為驗證仿真數據的準確性, 現利用一定機構進行水池試驗驗證, 其結構如圖11所示。定滑輪將水下牽引機固定在一定高度, 利用單一變量法將水下牽引機的結構參數根據仿真條件進行相關調整, 具體試驗結構參數如表4所示。將水下牽引機在水中自由釋放, 觀察記錄水下牽引機垂向位移0.5 m所需時間及其下滑的縱向位移。圖12為水下牽引機水池試驗現場照片。

圖11 水下牽引機水池試驗裝置結構圖

表4 水下牽引機試驗結構參數

圖12 水下牽引機水池試驗

4.2 數據對比分析

由于試驗裝置的局限性, 并未對2 kg和20 kg翼重對應的水下牽引機自重進行試驗, 利用去最值平均法對每組參數測得的數據進行處理, 將處理后的數據與仿真數據進行對比, 其結果如圖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質量下仿真與試驗縱向位移對比曲線

圖16 7.5 kg質量下仿真與試驗時間對比曲線

從圖中可以看出, 試驗數據與仿真數據存在一定偏差, 分析存在如下原因。

1) 試驗過程中數據測量存在誤差。

2) 水池試驗裝置的邊界效應明顯, 運動過程中邊界擾流作用較大, 導致水下牽引機運動與仿真存在一定偏差。

3) 仿真模型與實際試驗設備存在出入, 試驗模型中除水翼之外存在其余部件, 試驗過程中其余部件水阻力導致水下牽引機的試驗數據與仿真數據存在差別。

4) 仿真模型為單對水翼, 實際試驗模型為6對水翼, 水翼之間的流場擾動導致水翼實際受力與仿真存在偏差。

5 結束語

由于上文所述原因, 仿真數據和試驗數據存在一定出入, 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多種因素耦合產生的結果, 在今后的研究中將盡量向實際情況靠攏, 以便更真實的分析其影響因素。此外在數據測量準確性方面仍有提升空間。

[1] Daniel T, Manley J, Trenaman N. The Wave Glider: Enabling a New Approach to Persistent Ocean Observation and Research[J]. Ocean Dynamics, 2011, 61(10): 1509- 1520.

[2] Goebel N L, Frolov S, Edwards C A. Complementary Use of Wave Glider and Satellite Measurements: Description of Spatial Decorrelation Scales in Chla Fluorescence Across the Pacific Basin[J]. Methods in Oceanography, 2014, 10: 90-103.

[3] 廖煜雷, 李曄, 劉濤, 等. 波浪滑翔器技術的回顧與展望[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(9): 1227-1236.Liao Yu-lei, Li Ye, Liu Tao, et al. Unmanned Wave Glider Technology: State of the Art and Perspective[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1227- 1236.

[4] 劉鵬, 蘇玉民, 劉煥興, 等. 串列異步拍動翼推進性能分析[J]. 上海交通大學學報, 2014, 48(4): 457-463.Liu Peng, Su Yu-min, Liu Huan-xing, et al. Propulsive Performance Analysis of Tandem Asynchronous Flapping Foil[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2014, 48(4): 457-463.

[5] Yang F M, Shi W C, Zhou X, et al. Numerical Investigation of a Wave Glider in Head Seas[J]. Ocean Engineering, 2018, 164: 127-138.

[6] Caiti A, Calabro V, Grammatico S, et al. Lagrangian Mo- deling of the Underwater Wave Glider[C]//OCEANS 2011. Spain: IEEE, 2011: 1-6.

[7] 賈立娟. 波浪動力滑翔機雙體結構工作機理與動力學行為研究[D]. 天津: 國家海洋技術中心, 2014.

[8] Smith R, Das J, Hine G, et al. Predicting Wave Glider Sp- eed from Environmental Measurements[C]//Oceans 2011. Waikoloa, HI ,USA: IEEE, 2011: 1-8.

[9] Yousefi K, Saleh R. Three-dimensional Suction Flow Control and Suction Jet Length Optimization of NACA 0012 Wing[J]. Meccanica, 2015(6): 1481-1494.

[10] 付誠翔. 波浪滑翔器的浮體阻力及運動性能分析研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2017.

[11] 桑宏強, 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數定量分析[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(1): 16-22.Sang Hong-qiang, Li Chan, Sun Xiu-jun. Quantitative An- alysis on Longitudinal Velocity and Wave Parameter of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(1): 16-22.

1. 孫芹東, 蘭世泉, 王超, 等. 水下聲學滑翔機研究進展及關鍵技術[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1).

2. 桑宏強, 游宇嵩, 孫秀軍. 波浪滑翔器網絡版岸基監控中心設計[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

3. 孫秀軍, 王雷, 桑宏強. Petrel-Ⅱ 200水下滑翔機動力學建模及仿真[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

4. 王冠琳, 王巖峰, 官晟. 水下滑翔機數據管理[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

5. 吳尚尚, 李閣閣, 蘭世泉, 等. 水下滑翔機導航技術發展現狀與展望[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

6. 尹云龍, 楊明, 楊紹瓊, 等. 基于水下滑翔機的海洋聲學背景場觀測技術[J].水下無人系統學報, 2019, 27(5).

7. 孫秀軍, 王雷, 桑宏強. “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺風觀測應用[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

8. 錢洪寶, 盧曉亭. 我國水下滑翔機技術發展建議與思考[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

9.劉來連, 閔強利, 張光明. “海鱘4000”水下滑翔機水動力特性與滑翔性能研究[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5).

10. 桑宏強, 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數定量分析[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(1).

11. 孫春亞, 宋保維, 王鵬. 翼身融合水下滑翔機外形優化設計[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(2).

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.

國家重點研發計劃重點專項(2017YFC0305902); 青島海洋科學與技術國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB 0101); 天津市自然科學基金重點基金(18JCZDJC40100).

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

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

(責任編輯: 楊力軍)