兩棲機器人海流發電渦輪結構優化設計*

石欣平，肖 莉，張尚盈,2※

（1.武漢工程大學機電工程學院，武漢 430205；2.武漢譽瓊科技有限公司，武漢 430205）

0 引言

水陸兩棲機器人能夠代替人類完成陸地及水下等復雜環境中的偵查、勘探等任務，需要具備靈活、小巧的特點以及優越的通訊和續航能力[1]。兩棲機器人的續航大多采用自身攜帶能源的方式，其中包括一次電池、二次電池、燃料電池及熱機等[2]。這種續航方式往往會增加機器人的體積與負重，降低機器人的運動敏捷性，且這種方式可利用的能源十分有限，往往無法實現在較深水域的長時間勘探工作。某大學研制的AQUA系列兩棲六足機器人，其自身攜帶的鎳氧電池僅可以維持不間斷操作2 h[3－4]；Eric Stackpole與David Lang推出的用于水下攝影的機器人Open ROVs，其采用的鋰電池可以為自身續航3 h。未來，兩棲機器人的續航能力將是影響其綜合性能的關鍵因素。國內某研究所通過采用多孔介質材料作為耐壓殼體的表層，降低了航行阻力，使自主水下機器人在外形和電池容量不變的情況下提高了續航能力[5]。

利用海洋自然環境條件[6]，針對可下潛1 000 m海洋中長時間工作的水陸兩棲機器人，本文設計了一種可以為機器人續航的海流能發電渦輪結構。選取了某經典系列翼型中的幾種不同翼型進行了動力特性的分析，分析了葉片數量與輪式結構對海流發電渦輪輸出功率的影響。

1 渦輪翼型選取

1.1 渦輪翼型特征

為了得到更高輸出功率的海流能發電渦輪，需選取升阻比較大的翼型進行渦輪建模[7－8]。NACA 6系列翼型是某系列經典翼型，是具有較高的最大升力系數的一類層流翼型，這類翼型在一定升力系數范圍內具有低阻力特性，在非設計工況下也具備較好的性能[9]。在NACA 6系列翼型中，63、64、65三種翼型具有不同的厚度分布，其厚度分布使0升力下的最小壓力位置分別在弦長的0.3、0.4、0.5處，翼型數據顯示，在低雷諾數流動中，63系列翼型具有更加優秀的動力特性。

故選取相對厚度相同的NACA 63系列中的63－215、63－415、63－615翼型進行特征比較，如圖1所示。這3種翼型的設計升力系數分別為0.2、0.4、0.6，不同的設計升力系數導致翼型相對彎度也有所不同，設計升力系數越大的翼型，其相對彎度越大。

圖1 不同設計升力系數的翼型幾何特征

1.2 渦輪翼型動力特性分析

將翼型坐標導入ICEM進行計算域及網格的劃分，如圖2所示。C為翼型弦長100 mm，計算域邊界AFE、DE的邊界條件為速度入口，流速為1.5 m/s，邊界AB、BD的邊界條件為壓力出口，翼型airfoil的邊界條件為壁面，生成網格數量為61 686，且網格經過獨立性檢驗，質量良好。

圖2 計算域網格

SST k－ω模型具備k－ω模型近壁區的計算優點以及標準k－ε模型遠場計算的優點，同時，模型中的湍流黏度考慮了湍流剪切應力的傳遞過程，更適用于翼型的計算。故本文采用SST k－ω模型進行數值模擬，得到的各翼型不同攻角下的升阻力系數比，如圖3所示。由圖可以看出NACA 63－615翼型具備較高的升阻比，當攻角α＜6.5°時，翼型升阻比隨著攻角的增大而穩步增大；當攻角α＞6.5°時，翼型升阻比隨著攻角的增大而減小，因此，該翼型的最佳攻角為6.5°。

圖3 翼型升阻比

2 渦輪結構的優化設計與建模

2.1 葉片的優化設計與建模

根據Wilson優化設計理論[10－11]，現將葉片分為多個微元，并引入普朗特葉尖損失修正參數F，可表示為：

其中，f為中間變量，可表示為：

式中：B為葉片數量；R為葉輪半徑，取0.12 m；r為微元處半徑；φ為入流角。

引入葉片軸向誘導因子a；周向誘導因子b，兩變量關系為：

且有功率系數CP：

式中：λ0為葉輪葉尖速比；λi為半徑r處葉素的葉尖速比。

以式（4）為目標函數，式（1）～（3）為約束方程通過最優化函數fmincon求解各葉素弦長C及扭角β并進行修正，其設計流程如圖4所示。

圖4 葉片設計流程

以原始翼型動力中心（弦線上距離翼型前緣1/3處）為原點進行坐標變換，具體變換公式如下：

式中：C0、X0、Y0為原始翼型的弦長與坐標參數。

根據變換后的翼型坐標參數可得到各葉素與葉片的模型如圖5所示。

圖5 葉素與葉片模型

2.2 渦輪輪周的優化設計與建模

為了減輕外緣輪周的重量并降低卡門渦街效應的影響，將輪周的截面形狀進行優化，如圖6所示，將豎直端面用1/4橢圓代替，該橢圓的長半軸為15 mm、短半軸為10 mm。

圖6 輪周截面形狀

根據參考文獻[12]，3～5葉片中低速葉輪的葉尖速比一般為2～4，這里取葉尖速比為3，建立3～5葉片的海流發電渦輪模型如圖7所示。

圖7 海流發電渦輪模型

3 海流發電渦輪動力特性分析

采用MRF（多重參考）模型進行數值模擬，將計算域劃分為外部靜止域與內部旋轉域兩個區域[13]，具體劃分情況及邊界命名情況如圖8所示，其中D為海流發電渦輪直徑260 mm。對內外兩個流體域均進行非結構網格的劃分，生成100萬網格，網格質量良好且經過獨立性檢驗。

圖8 計算域劃分及邊界命名

設置靜止域入口處inlet邊界條件為速度入口，流速為1.5 m/s，出口處outlet邊界條件為壓力出口，外部wall＿out邊界條件為壁面，靜止域與旋轉域的交界面為interface，旋轉域沿Y軸方向逆時針旋轉，轉速為358 r/min，海流發電渦輪外表面wall＿in邊界條件為壁面，其運動狀態與旋轉域保持相對靜止。采用在旋轉流計算中，計算結果更符合真實情況的Realizable k－ε模型進行計算，結果如表1所示，四葉片海流發電渦輪具有最大輸出功率。

表1 數值模擬結果

功率公式：

式中：Cp為四葉片海流發電渦輪的捕能系數，代表該結構捕獲能量效率的高低；ρ為海水密度，取1 025 kg/m3；A為葉片掃掠面積；v為海流速度，取1.5 m/s。

經計算可得捕能系數Cp＝0.290，接近橫軸水輪機的平均捕能系數0.3，該結果表明，海流發電渦輪結構的捕能效率良好。

圖9所示為海流發電渦輪的速度云圖以及葉片表面所受壓強的分布情況，迎流面靠近葉尖處有壓強最大值，背流面靠近葉尖處有壓強最小值，這表明葉片葉尖處的壓差值最大即海流發電渦輪的動力主要來源于葉尖。此外，湍流主要分布在渦輪背流面的葉根及輪周邊緣處，通過圖9（a）與（b）的對比，可以看出優化后的外緣輪周處湍流明顯減少，海流發電渦輪的輸出功率得到了明顯提高。

圖9 速度云圖與壓強分布

4 結束語

本文針對水陸兩棲機器人的水下續航問題，將兩棲機器人水下發電結構與陸地行進結構合二為一進行了優化設計，提供了一種新的解決方案。通過Wilson優化設計理論，求得了各葉素弦長與扭角的最優解，對各葉素弦長與扭角曲線的擬合與修正，以及對原始翼型坐標的變換，得到了動力特性優良的葉素單元及葉片模型，對輪周截面形狀的優化，大大降低了卡門渦街效應的影響。仿真結果表明，該海流發電渦輪結構具有較高的輸出功率，捕能效率良好，能夠提高水陸兩棲機器人在水下工作時的續航能力。