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2024年2月19日发(作者：)

第28卷第3期

2020年6月

水下无人系统学报

Vol.28No.3

JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Jun. 2020

[引用格式] 孙秀军, 王力伟, 桑宏强. 波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(1): 252-258.

波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析

孙秀军1,2,3, 王力伟2, 桑宏强4

(1. 河北工业大学机械工程学院, 天津, 300130; 2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 山东青岛,

266100; 3. 青岛海洋与技术试点国家实验室, 山东青岛, 266237; 4. 天津工业大学机械工程学院, 天津, 300387)

摘要:

波浪滑翔器的纵向速度与水下牵引机结构参数有很大关系, 其中水下牵引机自重和水翼最大俯仰角对其影响尤为突出。文中以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象, 采用牛顿-欧拉方程建立水翼动力学模型, 对最优自重及最优角度进行计算流体力学仿真, 并将仿真结果与试验数据进行对比分析。分析结果可知, 受到多种因素的影响, 两者数据存在一定偏差, 但两者总体趋势相近, 数据显示20°俯仰角为水翼的最优俯仰角, 3级海况条件下, 45 kg的自重使得水下牵引机在下滑时间和下滑位移方面更加匹配波浪特性。文中在部分参数确定的情况下, 研究自重和俯仰角对波浪滑翔器推进效率的影响,

可为波浪滑翔器后续的参数优化和设计提供参考。

关键词:

水下牵引机; 水翼; 波浪滑翔器; 自重; 俯仰角

中图分类号: U674.941; O353.2 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2020)03-0252-07

DOI: 10.11993/.2096-3920.2020.03.002

Gliding Dynamics Analysis for Underwater Tractor of Wave Glider

SUN Xiu-jun1,2,3, WANG Li-wei1, SANG Hong-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)

Abstract: The longitudinal velocity of wave glider is closely related to the structural parameters of the underwater trac-tor, 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 equa-tions to simulate the optimum weight of the underwater tractor and the optimum pitch angle of the hydrofoil in compu-tational 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 con-dition, the self-weight of 45 kg can make the underwater tractor more suitable for wave characteristics in terms of glid-ing 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.

Keywords: underwater tractor; hydrofoil; wave glider; self-weight; pitch angle

收稿日期:

2019-10-11; 修回日期: 2019-11-19.

基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2017YFC0305902); 青岛海洋科学与技术国家实验室“问海计划”项目(2017WHZZB

0101); 天津市自然科学基金重点基金(18JCZDJC40100).

作者简介: 孙秀军(1981-), 男, 教授, 硕导, 主要研究方向为海洋移动观测平台技术.

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Journal of Unmanned Undersea Systems

2020年6月孙秀军, 等: 波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析第3期

析、流体仿真和真实情况之间的一致性。

0 引言

波浪滑翔器是一种能够将波浪能转化为前向动能的水面无人航行器, 具有工作时间长、位置自主可控等优点, 可广泛应用于水文气象观测、水质生态调查、卫星遥感验证以及水面通信中继等领域[1-3]。当前, 如何提升波浪滑翔器的运动速度逐渐成为该领域的研究焦点之一。提升波浪滑翔器的运动速度也就是提高波浪滑翔器的波浪动力转化效率。波浪动力转化效率主要取决于波浪滑翔器的双体结构参数以及水下牵引机的结构参数等。对于水下牵引机来说, 其自重、翼板翼型和翼板弹簧机构等参数选择, 以及不同参数的组合对波浪转化效率都会产生不同程度的影响,

在各个参数相互耦合的关系中, 找出波浪动力转化效率的优化路线以及完成耦合参数的优选,

对波浪滑翔器的运动速度提升至关重要。

刘鹏等[4]1 结构组成及工作原理

波浪滑翔器是由水面浮体船、柔性铠装缆、水下牵引机组成的双体结构系统。水面浮体船在波浪的作用下产生上下起伏运动, 通过柔性铠装缆拉拽水下牵引机上下运动, 受迫垂向运动的水下牵引机水翼与水质点发生相对滑翔运动, 水质点对水翼产生前向作用力, 水下牵引机产生向前运动, 反之, 水下牵引机通过柔性铠装缆带动水面浮体船前向运动, 其运动过程如图1所示。

图1 波浪滑翔器运动原理

Fig. 1 Motion principle of wave glider

基于雷诺平均(Reynolds average

Navier-Stockes, RANS)方程利用二维面元法计算了摆幅角、翼间距及升沉幅度等因素对水下牵引机推进性能的影响, 并给出小翼间距可产生更大推力的结论。Yang等[5]基于URANS方程利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)软件FINE/Marine与STAR-CCM+联合仿真了波浪滑翔器整个运动周期。Caiti等[6]利用拉格朗日方法对波浪滑翔器纵垂面进行建模分析, 求解了总体位移和速度与时间的对应关系。贾立娟[7]利用Kane方法对波浪滑翔器进行动力学建模,

分析了波浪滑翔器水下牵引机升阻比的影响因素。但上述研究主要集中在理论层面, 尚未在工程设计中给出水下牵引机细节机构的参数选择依据, 例如, 水下牵引机自重、弹簧劲度系数、水翼限位轴与转动轴的距离等与推进效率的对应关系。

文中以“海哨兵”波浪滑翔器的牵引机结构为研究对象, 在相关结构参数确定的情况下分析水下牵引机自重与波浪滑翔器滑翔效率的对应关系, 找到已有结构下水下牵引机的最优自重, 进而确定最优俯仰角。最后, 对波浪滑翔器的实际滑翔效率进行了试验, 在趋势上验证了理论分

为便于求解水下牵引机滑翔效率, 做出如下假设: 1) 波浪滑翔器的垂向运动完全符合波浪周期T, 且为周期性正弦运动; 2) 以6对水翼代表整个水下牵引机, 不考虑水下牵引机其余部件的水动力影响; 3) 水下牵引机向下滑落时水翼保持最大滑翔角的时间为整个波浪周期的1/5, 下落位移为波高H的1/2, 此状态下水下牵引机在水中处于自由落体状态, 柔性铠装缆对水下牵引机不施加外力作用。

根据波浪滑翔器运动特性, 其水翼的运动规律如图2所示。

图2 水翼运动曲线

Fig. 2 Motion curves of hydrofoil

2 数值模型

2.1 动力学模型

水翼受力情况如图3和图4所示, 利用牛顿-水下无人系统学报

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(2), 式中相关参数均由“海哨兵”波浪滑翔器已有数据测得, 其几何参数及动力学参数如表1所示。

t1x0t1y0y≤y1欧拉方程[8]建立水翼下滑过程中纵向速度u、垂向速度w的动力学模型, 用以揭示水翼运动与自重和俯仰角的特征关系, 水翼动力学方程的显式表达形式为

FcosFkcosdtu(k1)u(k)mFsinFksinGdtw(k1)w(k)mGL3cosFkL2sinFyL3cosFxL3sin zLzz(1)

式中: m为水翼质量; dt为仿真时间步长;β为弹(FcosδFk1cos)dtu(k1)xdtm(FsinδFk1sinG)dt(1)wkydtm (2)

表1 波浪滑翔器几何参数及动力学参数

Table 1 Geometric parameters and dynamic parame-ters of wave glider

参数描述

m/kg

G/N

Fk/N

α/(º)

数值

9.8 m1

37.8

N/A

簧与水平方向夹角; F为水动力合力; δ为水动力合力与水平方向夹角; G为水翼重力; Ω'为水翼绕轴旋转的角加速度; Lzz为水翼相对于质心z方向的转动惯量; Fx、Fy分别为F在x、y方向上的分力; Fk为弹簧拉力, 由于文中着重研究水翼处于最大俯仰角的状态, 此状态下, 弹簧与水翼的相对状态不变, 弹簧拉力为恒定值。

图3和图4中: α为水翼攻角; θ为水翼俯仰角;

L1为弹簧拉拽点与质心的水平距离; L2为旋转轴与限位轴的距离; L3为旋转轴与质心的距离。

β/(º) 1.51

θ/(º) 20

δ/(º) N/A

L1/mm 123.5

L2/mm 39.5

L3/mm 24.04

2.2 仿真模型及参数

文中采用类NACA0012翼型[9]单对水翼进行仿真, 水翼特征弦长b=0.16 m, 质心位置由SolidWorks确定并使之与原点重合, 利用CFD计

图3 水翼下滑受力情况示意图

Fig. 3 Forces on hydrofoil in sliding state

算软件FLUENT对二维水翼进行仿真, 仿真模型计算域为15c×20c, c为水翼弦长, 左边界和上边界距离翼型质心的距离均为5c, 全局网格采用非结构性网格, 边界层为10层, 并严格控制第1层网格高度Y+值小于60, 如图5所示。

图4 水翼上滑受力情况示意图

Fig. 4 Forces on hydrofoil in up-sliding state

文中由于水翼下滑时间t=t1, 垂向位移y≤y1,因此, 水下牵引机水翼的最优方程可以表达为式

图5 模型边界及水翼近壁网格

Fig. 5 The boundary of model and the grid nearby

hydrofoil

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利用6自由度动网格方法对水翼20°俯仰角下5~9 kg不同水翼质量进行仿真[11], 得到水翼纵向速度曲线见图6。从图中可知, 当水翼质量为2

kg时, 在初始的一段时间内由于自身质量较轻,

水翼尾缘分流效果作用明显, 导致其存在非稳状态: 水翼纵向速度达到约0.7 m/s后, 其运动状态逐渐稳定, 且在0.25 s下滑时间内, 该质量水翼的纵向速度远超其余情况纵向速度; 当下滑时间较大时, 该质量水翼运动状态趋于稳定, 纵向加速度较小, 纵向速度小于其余质量水翼的纵向速度。5~9 kg水翼的纵向运动较为相似, 纵向速度随着质量的增加而增加。

考虑到流体中的非稳状态, 水翼的动量方程和能量方程均较难显式表达, 因此文中在FLUENT仿真中采用标准k-湍流模型, 利用非平衡壁面函数对水翼壁面进行修正[4]。

2.3 网格无关性验证

为验证网格的可行性, 分别采用Grid1、Grid2、Grid3和Grid4这4种尺寸网格下比较水翼在20攻角下的升力系数差异, 如表2所示,

其中设置流体密度ρ=998.2 kg/m, 截面平均流速v=1 m/s, 动力粘性u=1.003×10–3

Pa·s, 翼型特征长度d=0.06 m, 根据公式Re=ρvd/u得出雷诺数为5.9×105。根据表2可知, Grid 3与Grid 4尺寸下水翼的升力系数差值变化较小, 网格尺寸对计算精度的影响减弱, 考虑到计算的准确性及计算资源的合理运用, 因此采用Grid 3网格尺寸进行下一步仿真计算。

表2 FLUENT网格无关性验证

Table 2 Grid independence verification in Fluent

网格

Grid 1

Grid 2

Grid 3

Grid 4

数量

80 406

179 270

716 458

1 992 009

攻角/(º)20

流速/(m·s–1)

升力系数

图6 不同质量水翼纵向速度随时间变化曲线

Fig. 6 Curves of longitudinal velocity of hydrofoil ver-sus time under different mass

0.309 51

0.417 84

0.535 45

0.558 16

图7给出了水翼的纵向位移曲线, 从图中可以看出, 7.5 kg水翼更加吻合假定3)中关于下滑时间和下滑位移的设定, 因此将45 kg(7.5 kg×6)质量视为水下牵引机最优自重进行下一步仿真。

3 数值计算仿真与分析

太平洋海况波谱如表3所示[10], 据表显示太平洋中3级海况最为常见, 由于海况的复杂性和不确定性增加了对海浪系统性仿真的难度, 因此拟采用太平洋中最常见的3级海况进行仿真以达到简化的效果。

表3 太平洋海况波谱

Table 3 State spectrum of Pacific Ocean

浪级波高/m 周期/s 浪级概率/%

0.70

0~1 <0.25 <2

图7 不同质量水翼纵向位移随时间变化曲线

2 0.50 3 6.80

Fig. 7 Curves of longitudinal displacement of hydrofoil

versus time under different mass

3 1.00 5 27.53

4 2.00 7 24.00

5 3.00 10 20.61

6 5.00 12 13.15

在最优自重情况下, 分别对10°、15°、20°和25°俯仰角的纵向位移和下滑时间进行仿真,

其结果如图8和图9所示。从图中可以看出, 当水翼俯仰角在10°~20°范围内时, 其纵向位移随≥7

>7.50 14~24 7.21

水下无人系统学报

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着俯仰角的增大而增大; 在20°时达到峰值; 当水翼俯仰角为25°时, 其纵向位移在初始一段时间内较大, 但由于其俯仰角较大导致升力系数减小, 该俯仰角度的水翼在后续时间的纵向速度小于其他水翼。

4 水池试验与数据对比分析

4.1 水池试验

为验证仿真数据的准确性, 现利用一定机构进行水池试验验证, 其结构如图11所示。定滑轮将水下牵引机固定在一定高度, 利用单一变量法将水下牵引机的结构参数根据仿真条件进行相关调整, 具体试验结构参数如表4所示。将水下牵引机在水中自由释放, 观察记录水下牵引机垂向位移0.5 m所需时间及其下滑的纵向位移。图12为水下牵引机水池试验现场照片。

图8 不同俯仰角水翼纵向位移随时间变化曲线

Fig. 8 Curves of longitudinal displacement of hydrofoil

versus time under different pitch angles

图11 水下牵引机水池试验装置结构图

Fig. 11 Structure of pool test device of underwater tr-

actor

图9 不同俯仰角水翼纵向速度随时间变化曲线

Fig. 9 Curves of longitudinal velocity of hydrofoil ver-sus time under different pitch angles

表4 水下牵引机试验结构参数

Table 4 Test structure parameters of underwater trac-tor

自重/kg 俯仰角/(°) 垂向位移/m

根据仿真数据绘得1 s时间内不同俯仰角的水翼纵向位移曲线, 如图10所示。可以看出, 相同下滑时间时, 20°俯仰角有较大纵向位移; 当俯仰角为25°时, 水翼的纵向位移逐渐减小, 因此认为20°为水下牵引机在最优自重情况下的最优俯仰角。

30~54 20 0.5

45 10~25 0.5

图12 水下牵引机水池试验

Fig. 12 Pool test of underwater tractor

4.2 数据对比分析

由于试验装置的局限性, 并未对2 kg和

图10 1 s滑翔时间内水翼纵向位移随俯仰角变化仿真曲线

Fig. 10 Simulation curve of longitudinal displacement of

hydrofoil versus pitch angle in one second of

gliding time

20 kg翼重对应的水下牵引机自重进行试验, 利用去最值平均法对每组参数测得的数据进行处理,

将处理后的数据与仿真数据进行对比, 其结果如图13~图16所示。

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1) 试验过程中数据测量存在误差。

2) 水池试验装置的边界效应明显, 运动过程中边界扰流作用较大, 导致水下牵引机运动与仿真存在一定偏差。

3) 仿真模型与实际试验设备存在出入, 试

验模型中除水翼之外存在其余部件, 试验过程中其余部件水阻力导致水下牵引机的试验数据与仿真数据存在差别。

4) 仿真模型为单对水翼, 实际试验模型为6对水翼, 水翼之间的流场扰动导致水翼实际受力与仿真存在偏差。

根据两者数据的有效对比可以看出, 水翼的仿真数据与水下牵引机的试验数据趋势大体相同。当水翼的俯仰角为20时, 水下牵引机随其自重增加, 其垂向位移时间逐渐减小, 纵向位移

也逐渐减小。在波浪特性匹配方面, 45 kg的水下牵引机在1/2波高和1/5波周期运动特性方面更加匹配3级海况, 即认为45 kg为该海况下的最优自重。当水下牵引机处于最优自重时, 水翼俯仰角对水下牵引机纵向位移的影响效果明显, 当水翼的俯仰角逐渐增大时, 水翼升力逐渐增大,

水下牵引机纵向位移较大, 当水翼俯仰角度增大到25时, 由于水翼迎流面积的增大, 水翼产生的前向作用力反而降低, 水下牵引机的纵向位移

减小, 因此认为20为水翼的最优俯仰角。

图13 20°俯仰角下仿真与试验纵向位移对比曲线

Fig. 13 Comparison curves of longitudinal displacem-

ent between simulation and test at 20° of pitch

angle

图14 20°俯仰角下仿真与试验时间对比曲线

Fig. 14 Comparison curves of time between simulation

and test at 20°of pitch angle

图15 7.5 kg质量下仿真与试验纵向位移对比曲线

Fig. 15 Comparison curves of longitudinal displacem-

ent between simulation and test under 7.5 kg of

mass

5 结束语

文中仿真了水下牵引机在水中自由落体下滑时自重和俯仰角对其滑翔效率的影响。在3级海况下, 45 kg为水下牵引机在1/5周期下滑时间的最优自重, 在最优自重条件下, 20为水翼的最优俯仰角, 该结论可为相关研究者在后续的设计和优化研究提供指导。

由于上文所述原因, 仿真数据和试验数据存在一定出入, 但两者总体趋势相近。

图16 7.5 kg质量下仿真与试验时间对比曲线

Fig. 16 Comparison curves of time between simulation

and test under 7.5 kg of mass

该文仅考虑了水下牵引机对波浪滑翔器纵向速度的影响, 但在实际工作中, 波浪滑翔器的工作性能是水面浮体船和水下牵引机多种因素耦合产生的结果, 在今后的研究中将尽量向实际情况靠拢, 以便更真实的分析其影响因素。此外在数据测量准确性方面仍有提升空间。

从图中可以看出, 试验数据与仿真数据存在一定偏差, 分析存在如下原因。

水下无人系统学报

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(责任编辑:

杨力军)

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