蝠鲼集群滑翔水動力性能研究

2023-07-19 08:36:50高鵬騁黃橋高宋東潘光馬云龍

西北工業大學學報 2023年3期

高鵬騁, 黃橋高, 宋東, 潘光, 馬云龍

(1.西北工業大學航海學院, 陜西西安 710072; 2.西北工業大學無人水下運載技術重點實驗室, 陜西西安 710072)

長時間的自然進化賦予了魚類非凡的運動和生存能力:低能耗長距離巡游、大推力高效率推進、強大的爆發力和機動性能、敏感的感知和定位能力、優異的自我保護和精確攻擊能力。蝠鲼屬鰩科生物,其胸鰭具有較大的展弦比,較大的展弦比在能滿足大升阻比需求的同時還具備負載空間大的特點[1],并且蝠鲼巡游速度適合水下航行器長距離航行,因此其生物形態學特征非常適合作為仿生航行器的仿生對象。同時,蝠鲼采用柔性胸鰭撲動與滑翔相結合的推進方式[2],具有高機動、高適應性、高效節能等優點,是優良的水下仿生機器人集群借鑒對象。

集群游動是魚類常見的生物行為。魚群為個體提供了許多好處,包括規避天敵、提高捕食成功率,以及提供更多繁殖機會。集群游動中也蘊含著眾多的流體力學問題,一個關鍵問題是水動力學在集群游動中的作用。一方面,人們關注流動對集群游動模態發生的影響。著名流體力學家Lighthill[3]曾猜測“魚群的有序排列方式可能完全因被動的流體力學相互作用而自發產生,而不需要精確的控制機制”。這一猜想后來被稱為“Lighthill猜想”,但在其被提出后的幾十年間從未被完全證實。另一方面,人們關注生物在集群游動中的水動力學收益問題。長期以來,人們認為集群游動中的個體能夠利用特定隊形保存能量,獲得水動力收益,提高自身運動性能[4-5]。

近年來,隨著計算機技術、流體計算方法以及流體仿真技術的發展,學者們數值模擬了魚類兩體串、并聯、多體鉆石型排布等多種排布方式下的水動力特性。Chao等[6]對兩行波翼型周圍的流體動力學進行了數值研究,以了解魚群的水動力機制。系統地討論了兩翼片串聯、平行和交錯布置時的推力產生和尾跡結構。Maertens等[7]對雙魚編隊游動進行了數值模擬,研究表面領航魚僅在距離較近時獲得能耗增益,跟隨魚在充分利用尾渦的前提下可在任何能與領航魚尾跡相互作用的位置受益。Li等[8]數值模擬了4種不同編隊(即串聯、并聯、菱形和矩形)仿真魚集群游動,結果表明魚集群游動有益于推進效率的提高,尾流和橫向壓力共同影響游動效率,推力主要受到尾流影響,功率損失主要由橫向壓力引起。

由于實驗測量的困難,目前大多數集群水動力實驗對象采用的是降階模型(如NACA翼型)或尾鰭擺動模式的仿生樣機,并且集群數量大多在2～3個,編隊設置大多采用串聯、并聯。Dewey等[9]和Boschitsch等[10]分別實驗研究了2個并聯和串聯的拍動翼形在均勻來流中的推進特性,實驗系統考察了翼形拍動相位差和分離距離對其水動力性能的影響。裴正凱等[11]實驗研究了2條仿鲹科機器魚在并排運動時的水動力性能,結果顯示在特定相位差下,并排游動的機器魚可以相互促進,提高運動效率。

以上的數值研究和實驗表明,特定編隊的集群運動可以顯著提高魚群的游動效率。盡管如此,相關研究仍有待進一步開展。當前國內外關于集群水動力特性的研究主要集中在二維翼型而非真實的三維生物或航行器,并且集群中單體數目及編隊設置也較少。與此同時,國內外關于生物在集群滑翔狀態下的減阻表現鮮有研究。

本文開展了雙體、三體、四體及六體蝠鲼集群滑翔水動力性能的數值研究,具體來說,隊形包含串聯、三角排布、鉆石排布,對集群中各個單體阻力、升力、系統平均阻力以及壓力分布情況展開研究,以期得到最優的航行器滑翔隊形,為航行器集群滑翔編隊設置提供參考。

1 數值計算方法

1.1 問題描述

數值計算模型根據實際生物觀測得到[12],如圖1所示。其特征尺寸分別為:展長(LS)2 900 mm,體長(LB)1 800 mm,最大體厚(LT)350 mm。

圖1 數值計算模型

計算域設置為矩形計算域,其尺寸根據布放航行器數量做適應性調整,如圖2所示。保證入口與第一個單體間距4倍體長,出口與最后一個單體間距7倍體長,展向壁面距對稱面2倍展長,垂直方向保證10倍最大體厚(即是說水深條件為3.5 m)。

圖2 計算域設置

根據文獻[13],蝠鲼集群滑翔狀態下的系統平均阻力(Dsystem)按照(1)式計算

(1)

式中:n為集群中單體數目;i為集群中各個單體編號。

將蝠鲼集群滑翔過程中的受力無量綱化

(2)

(3)

式中:D,L為蝠鲼所受的阻力、升力;ρ為流體密度;U為來流速度;LB為蝠鲼體長。

1.2 計算方法

首先使用ANSYS ICEM對計算域進行結構網格的劃分,隨后借助 FLUENT 軟件進行計算,采用有限體積法離散Navier-Stocks方程,采用二階迎風格式進行動量離散,采用 SIMPLEC 算法對連續方程中的壓力和速度進行耦合,湍流模型采用SSTk-ω模型,收斂殘差設置為1×10-5。

邊界條件設置為:入口邊界為速度入口(來流速度取為0.5 m/s),出口邊界為壓力出口,壁面設為自由滑移壁面,航行器表面均為靜止無滑移壁面。

2 收斂性與數值驗證

2.1 收斂性驗證

為進行網格無關性驗證,分別選取了網格數量為1.5×106,3×106,4.5×106,6×106的4套網格對蝠鲼單體在0°攻角下以0.5 m/s速度滑翔進行仿真計算,具體的升力(L)、阻力(D)見圖3所示。由圖3可知:4種網格尺度下推力及升力變化無明顯差異,表明數值計算是網格收斂的,后續計算采用4.5×106這一套網格的節點布置。

圖3 網格收斂性驗證

2.2 數值計算方法驗證

為了驗證計算方法的有效性,計算了三維漸變NACA0009水翼在雷諾數(Re)為1.0×106時不同攻角下的水動力性能,并以Zarruk等[14]的水翼水洞實驗數據為例進行數值方法驗證。

圖4所示為不同攻角下,阻力系數(CD)、升力系數(CL)對比,由圖4可知:數值計算方法所得到的CD,CL與實驗值相吻合,驗證了本文所采用的數值計算方法的可靠性。

圖4 不同攻角下的CD,CL對比

3 數值計算結果與分析

將蝠鲼集群滑翔編隊劃分為串聯排布、三角排布及鉆石排布,設置均勻來流速度為0.5 m/s,計算蝠鲼在不同滑翔編隊下的流體動力特性,并與單體滑翔進行對比,分析集群隊形對減阻性能影響,其中單體阻力系數為6.93×10-3,升力系數為5.02×10-2。

3.1 串聯排布

本節對雙體、三體、四體和六體蝠鲼集群滑翔進行了數值模擬,集群中各單體間距保持0.25LB。圖5展示了集群中各個單體的阻力表現情況,水平面內2個坐標軸分別表示集群內單體數目及單體序號(從前往后依次為1,2,3…),z軸表示阻力系數。由圖5可以看出,隨著集群中單體數目的增加,處于領航位置的蝠鲼所受阻力逐步減小,隊尾蝠鲼所受阻力有增大趨勢。在每種排列方式中,領航蝠鲼受到的阻力最小,隊尾蝠鲼受到的阻力最大,位于隊伍中部的各單體阻力相差無幾。

圖5 串聯隊形下各單體阻力系數

圖6展示了六體串聯時的壓力分布情況,可看出位于集群最前端的蝠鲼1頭部的高壓區較小,而其尾部高壓區較大,因此能起到良好的減阻效果;中間4個蝠鲼單體所處的壓力環境相似,這與圖5得到的阻力分布吻合;位于最末端的蝠鲼6頭部存在巨大高壓區,而其尾部高壓區較小,因此它在編隊中承受了最大的阻力。

圖6 串聯隊形下壓力云圖

3.2 三角排布

本節對蝠鲼在三角排布下集群滑翔進行了數值模擬,三角隊形分為2類:兩蝠鲼領航一蝠鲼伴游(前二后一)以及一蝠鲼領航兩蝠鲼伴游(前一后二)。圖7展示了2種三角隊形的具體排列方式以及集群中各單體的阻力系數(紅色數字)及升力系數(藍色數字)。從圖7a)可以看出,當集群隊形采用前二后一分布時,相較于單體滑翔,集群中各個單體受到的阻力均有減小,各單體升力均有提升。從圖7b)可以看出,當采用前一后二分布時,僅在領航蝠鲼出現了減阻效果,但升力均有提升。

圖7 三角隊形下各單體阻力系數

圖8展示了三角隊形下流場壓力分布情況,從圖8a)可以看出伴游蝠鲼的存在使得領航蝠鲼-上的下半翼以及領航蝠鲼-下的上半翼附近出現了高壓區,這有利于減小領航蝠鲼的阻力;同時在伴游蝠鲼頭部前方(見圖8a)標注)形成了一個低壓區,會產生一個向前的吸力,從而減小伴游蝠鲼所受阻力。從圖8b)可以看出領航蝠鲼上下半翼及尾部高壓區面積巨大, 這必然導致領航蝠鲼所受阻力進一步減小,但這并不利于伴游蝠鲼減阻,并且可以從圖中發現編隊中心所形成的低壓區并不會產生一個向前的吸力,因此伴游蝠鲼所受阻力增加。

圖8 三角隊形下壓力云圖

3.3 鉆石排布

本節開展了蝠鲼在四體鉆石和六體鉆石2種隊形下的集群滑翔數值模擬。圖9展示了2種隊形的具體排列方式以及集群中各單體的阻力系數(紅色數字)及升力系數(藍色數字)。從圖9a)可以看出,當集群隊形采用四體鉆石排布時,相較于單體滑翔,集群中前2排單體受到的阻力有所減小,升力提升,而隊尾蝠鲼受到阻力增加,升力減小。從圖9b)可以看出,各單體阻力及升力與四體鉆石型分布大致相同,領航蝠鲼阻力進一步降低。

圖9 鉆石隊形下各單體阻力系數

圖10展示了鉆石隊形下流場壓力分布情況,從圖10a)可以看出由于流場中高壓區的存在,前2排蝠鲼(即領航和中部蝠鲼)所受阻力都減小;雖然編隊中心位置存在低壓區,但在低壓區前后均存在高壓區,因此處于四體鉆石隊形的伴游蝠鲼無法同前二后一隊形中的伴游蝠鲼一樣從低壓區獲取減阻收益,但它同時還承受著前方高壓區的增阻效果,因此其所受阻力增加。六體鉆石隊形的流場壓力分布情況與四體鉆石分布相似,因此阻力分布情況也基本相同。領航蝠鲼減阻效果下降的原因在于六體鉆石分布時,領航蝠鲼頭部高壓區增加,尾部高壓區與四體鉆石分布無明顯差別。