低速水下機器人水動力試驗系統設計

張亮，紀勝軍，2，李樹珍，沈江潔，石磊

(1.河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島 066004；2.山東華宇工學院機械工程學院，山東德州 253000；3.河北科技師范學院海洋資源與環境學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

水動力特性是水下機器人設計和運動控制的基礎[1]。由于水下機器人運動時周圍流場復雜，水動力特性分析困難，需要通過試驗獲取各項水動力系數[2]。國內的水下機器人測試系統一般較為大型[3]，如上海交通大學的多功能拖曳水池整體尺寸長300 m、寬16 m、深7.5 m，最大拖曳速度10 m/s[4]；中國船舶重工集團公司第七○二研究所擁有的操縱性旋臂水池，直徑48 m、深4.5 m，最大角速度1 rad/s，臂端速度12 m/s，可進行船舶、潛水器等的操縱性理論及試驗測試，預報各型水中運動體的操縱性能。而國外的測試系統更具有針對性，專業性也更高，如德國宇航院(DLR)研發的小水洞，試驗段尺寸0.26 m×0.33 m，長1.26 m，試驗速度0.5 m/s[5]；ZAHARI M等為研究渦激振動是由湍流旋渦脫落現象引起的，設計了一個為了教學目的的低成本水洞[6]。

本文作者針對低速水下機器人模型試驗測取水動力特性的需求，基于相似原理[7]，設計一套用于測量小型低速水下機器人水動力系數的試驗系統——室內小型低速開口式直流水洞。

1 水洞設計

針對小型水下機器人模型設計的室內小型低速開口式直流水洞如圖1所示，主要包括水洞整流段(過渡段二1、擴散段2、蜂窩器3、穩定段4、收縮段5、過渡段一6)、水箱7、閥8、水泵9、水管10、法蘭11。

圖1 水洞CAD模型

水洞大小主要是由試驗段決定的，試驗模型大小決定了試驗段的大小[8]。本文作者借鑒劉彥偉和劉瑩[9]對有邊界和無邊界場的模擬分析對比，得出阻塞比不得超過25%，否則結果沒有實際意義。借鑒英國NPL水洞的設計，試驗段的長度通常是模型長度的3倍，以保證模型在更均勻的流場中[10]。

根據以上要求和模型的尺寸比例大小，以100 mm×100 mm×34 mm機器人模型為基準，水洞試驗段穩流區域達到300 mm×200 mm×68 mm即可。

2 水洞動力學仿真試驗

2.1 水洞模擬條件設定

將SolidWorks建立的水洞三維模型導入Space claim軟件，仿真條件設定如下：

(1)求解域設置

在Fluent模塊中，檢查網格，保證沒有負體積網格，默認國際單位制。

(2)物理模型設置

選擇標準κ-ε模型，設置計算域材料為水，選擇速度入口，過渡段二入口為模型模擬入口，D=80 mm，基于流量相等原則，入口速度為2.6 m/s。

(3)求解方案設置

選擇分離求解程序，Simple算法用于壓力和速度的耦合。添加用于收斂檢查的報告定義——殘差曲線和阻力曲線，曲線收斂才說明數值可信。選擇初始化，并確保初始化值不能大于10-6，最后進行求解計算[11]。

2.2 水動力學仿真結果分析

通過模擬計算，得到如圖2所示流體的運動狀態云圖。

圖2 水洞流體運動云圖

由圖2(a)可知，水流在入口處給定的速度2.6 m/s，水流經過擴散段發散撞入蜂窩網經過水流方向和狀態的整合進入穩定段，水流變得有規律且穩定流動，但由于水流經過蜂窩器的大面積摩擦，水流速度降低，在收縮段處水流速度急劇增大到4.64 m/s，經過過渡段噴向開口試驗段，水流均勻穩定流動。觀察圖2(b)可以發現，試驗中心速度相同，水流均勻流動，但整體會有向周圍擴散方向速度均勻減小的趨勢。

為研究水洞試驗段是否符合試驗要求的范圍，分別截取距離試驗段入口0.7、0.9、1.1、1.3 m位置的中心速度云圖進行分析。不同截面的速度云圖如圖3所示，選擇距離試驗段入口0.7～1.3 m處作為試驗范圍，滿足試驗條件：(1)最大速度達到2 m/s；(2)滿足水流流速均勻性、穩定性的條件；(3)滿足試驗條件的試驗區域大于試驗區域最小限制范圍(300 mm×200 mm×68 mm)，滿足阻塞率不大于25%、長度不小于3倍模型長度的要求。

圖3 不同截面仿真速度云圖

3 水洞試驗與標定

3.1 動力系統選型

流量Q用流體橫截面積A和流體速度v的乘積來表示

Q=Av

流體橫截面積A為過渡段圓形變方形的面積，圓的內接正方形還可以增大水流速度，提高水流品質[12]。圓直徑為80 mm，內接正方形的邊長取56 mm。經模擬，此處速度取4.1 m/s，試驗穩流段方可達到試驗速度要求，流量Q=46.3 m3/h。

根據水洞需要的流量和水頭損耗，選用U8000變頻水壓調節器及IRG80-125A型立式單級離心泵(性能參數見表1)構成水洞動力系統，如圖4所示，變頻水壓調節器壓力范圍為0.05～1.50 MPa，水泵出口處安裝不銹鋼止回閥，防止水倒流。

表1 立式單級離心泵性能

圖4 水洞動力系統

3.2 水洞結構及工作原理

水洞樣機如圖5所示，由水洞動力系統1、控制面板2、水池3、閥4、管道5、過渡段二3.1、擴散段3.2、穩定段3.3、收縮段3.4、過渡段一3.5組成。水洞動力系統1為水的流動提供動力，通過操作控制面板2控制動力系統，通過改變壓力的大小來控制水流速度，水池3為開口試驗段，管道5連接水池和動力系統，傳遞水流的作用；圖5(b)中各段為水流整流段，決定了水流流場質量。

圖5 水洞樣機

3.3 水洞系統調試

通過改變水泵的水壓調節器的壓力控制電機轉速調節試驗段水流流速。為保護水泵電機安全，減少葉片磨損，設置壓力0.5～1.0 MPa可調，測量位置為穩流試驗段中心，測量并記錄10個時均速度并取平均值。壓力與水洞流速對應值見表2。

表2 壓力與水洞流速對應關系

3.4 水洞流場校核

截面速度分布均勻度和流速穩定性是表示流場質量的兩個重要參數[13]。

(1)速度均勻性

速度均勻性表示某一時刻試驗段斷面上速度分布的均勻性[14]。根據水洞流場模擬云圖，在試驗段內選取4個截面(距離入口0.7、0.9、1.1、1.3 m)，每個截面選取45個點，測試點位置如圖6所示，給定2 m/s的水速，將便攜式流速儀豎直置于測速點，單點測量各個截面點的時均速度，將數據繪制成云圖，如圖7所示。

圖6 內測試點位置示意

圖7 不同截面實測速度云圖

分析試驗得到的云圖可知：水流雖有從中心向四周擴散的趨勢，但是中間速度均勻分布，可達到2 m/s的最大水流速度要求，距試驗段入口0.7 m處截面內260 mm×185 mm(x(-0.11, 0.15),y(-0.11, 0.075))矩形區域，1.1 m處截面內200 mm×175 mm(x(-0.10, 0.10),y(-0.10, 0.075))矩形區域及1.3 m處截面內200 mm×100 mm(x(-0.10, 0.10),y(-0.025, 0.075))矩形區域，滿足試驗條件，所以滿足試驗條件的試驗區域大小為600 mm×200 mm×100 mm，位于距離試驗段入口0.7～1.3 m處；或試驗條件的試驗區域大小為400 mm×200 mm×175 mm，位于距離試驗段入口0.7～1.1 m處，全部大于最小限制范圍(300 mm×200 mm×68 mm)，滿足阻塞率不大于25%、長度不小于3倍模型長度的要求。計算得到此試驗平臺的適用范圍為：模型長不大于200 mm，模型來流方向的橫截面積不大于5 000 mm2。

(2)速度穩定性

速度穩定性是指在一時間段內，每隔一定時間測量試驗段內相同位置的流速大致相同。在試驗段中心，給定不同速度，每隔10 min測量一組試驗數據，共測量6組。由表3可以看出，時均速度最大偏差在±0.2 m/s以內，符合速度穩定性要求。

表3 試驗段速度穩定性測量數據 單位：m·s-1

4 結論

基于相似原理設計一種針對低速水下機器人的水動力試驗系統。經仿真模擬及試驗分析，最終確定了該試驗系統適用的模型尺度范圍和試驗位置。此試驗系統適用于速度不大于2 m/s，模型長不大于200 mm，模型來流方向的橫截面積不大于5 000 mm2的水動力試驗，為低速水下機器人的水動力試驗提供了一種方案。