楊富茗，王大政（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱 150001）

波浪能滑翔機(jī)理論和數(shù)值計(jì)算研究現(xiàn)狀

楊富茗，王大政
（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

波浪能滑翔機(jī)是一款基于波浪能驅(qū)動的自主海洋移動監(jiān)測平臺，將波浪作用于海面浮體的升沉運(yùn)動轉(zhuǎn)化為前進(jìn)運(yùn)動，可實(shí)時、大范圍、長時間完成不同海況下的海洋監(jiān)測。文中首先介紹波浪能滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動原理以及在海洋觀測中的應(yīng)用，接著主要論述近年來國內(nèi)外波浪能滑翔機(jī)理論和數(shù)值計(jì)算研究內(nèi)容，并基于國內(nèi)外波浪能滑翔機(jī)多體系統(tǒng)動力學(xué)和水動力學(xué)研究現(xiàn)狀的分析，提出我國在波浪能滑翔機(jī)水動力方面存在的不足及其今后重點(diǎn)研究的建議。

波浪能滑翔機(jī)；多體系統(tǒng)動力學(xué)；水動力學(xué)；研究進(jìn)展

0　引　言

波浪能滑翔機(jī)是由美國 Liquid Robotics 公司經(jīng)過 4年研發(fā)于 2009 年成功完成美國西海岸的長距離海試，現(xiàn)已擴(kuò)展混合動力（SV3）、極地海洋調(diào)查（Pac-X）等多個型號［1，2］。波浪能滑翔機(jī)不同于傳統(tǒng)小尺度通過攜帶電池作為主要能源的海洋觀測平臺，它將水下滑翔機(jī)與水面船舶結(jié)合成為一種完全依靠波浪能作為動力，可在廣闊海洋中長時間完成水面和水下監(jiān)測跟蹤任務(wù)，同時也可減少意外性丟失。

波浪能滑翔機(jī)由柔性纜繩的水面母船和水下滑翔機(jī)構(gòu)兩部分組成（見圖 1），水面母船外形采用 V 型船首設(shè)計(jì)，同時船底安裝固定鰭可增加轉(zhuǎn)首力矩；水下滑翔機(jī)構(gòu)由 6 對縱向緊密排列對稱水翼和平板框架組成［3］。

波浪能滑翔機(jī)工作原理是利用水面母船隨波浪的升沉運(yùn)動，通過柔性纜繩帶動水下滑翔機(jī)構(gòu)，使其產(chǎn)生水平方向拉力，帶動母船一起，沿波浪驅(qū)動機(jī)構(gòu)縱向方向前進(jìn)。當(dāng)水面母船隨波浪上升時，通過纜繩帶動水下滑翔驅(qū)動機(jī)構(gòu)上升，同時水下滑翔機(jī)構(gòu)的水翼繞自身定軸轉(zhuǎn)動至限位處產(chǎn)生水平方向的拉力，沿波浪驅(qū)動機(jī)構(gòu)縱向方向前進(jìn)（見圖 2）；當(dāng)水面母船隨波浪下降時，水下滑翔機(jī)構(gòu)依靠自身重力，使其水翼產(chǎn)生水平方向拉力，帶動水面母船從而使波浪能滑翔機(jī)沿縱向前進(jìn)。

波浪能滑翔機(jī)的成功研制同樣吸引許多海洋科學(xué)家的目光，水面母船可作為移動氣象站，海事自動識別系統(tǒng)，通過衛(wèi)星通信等設(shè)備可全天候?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)；水下滑翔機(jī)構(gòu)可搭載多普勒流速傳感器、水聽器、溫鹽深傳感器等海洋跟蹤監(jiān)測設(shè)備［4 - 6］，這些成功運(yùn)用吸引多個國家開始研發(fā)波浪能滑翔機(jī)。

圖 1　波浪能滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)組成Fig. 1　The composition of wave glider

圖 2　波浪能滑翔機(jī)運(yùn)動原理Fig. 2　The motion principle of wave glider

1　波浪能滑翔機(jī)理論研究現(xiàn)狀

1.1國外研究現(xiàn)狀

目前，美國在波浪能滑翔機(jī)方面具有成熟技術(shù)，同時經(jīng)過大量海試驗(yàn)證該平臺的可靠性和應(yīng)用價值，但該平臺所屬 Liquid Robotics 公司商業(yè)研發(fā)保密以及被美國軍方采用作為瀕海監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一員，公開發(fā)表的理論研究文章較少。

Ryan N Smith等［7］分別應(yīng)用線性回歸和高斯回歸模型討論影響波浪能滑翔機(jī)運(yùn)動的環(huán)境參數(shù)，通過輸入有義波高、波周期、風(fēng)速、海流等海洋環(huán)境參數(shù)計(jì)算波浪能滑翔機(jī)前進(jìn)速度。該研究可根據(jù)不同的海洋環(huán)境參數(shù)預(yù)測波浪能滑翔機(jī)在指定時間內(nèi)的運(yùn)動范圍。

Nicholas D. Kraus等［8-9］參考并采用 Liquid Robotics公司的波浪能滑翔機(jī)的外形設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)牛頓力學(xué)的動量定理和動量矩定理，基于波浪能滑翔機(jī)各部分質(zhì)量固定假設(shè)，同時考慮到風(fēng)、流影響、系統(tǒng)附加質(zhì)量以及斯托克斯深水波理論建立六自由度非線性動力學(xué)方程，旨在確定水動力關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)?？紤]阻尼、恢復(fù)力以及重力作用，經(jīng)慣性坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將三維六自由度水動力方程簡化為二維無舵偏轉(zhuǎn)且僅含有縱傾的運(yùn)動方程，經(jīng)線性化后的方程更加便于控制和估算。通過使用經(jīng)驗(yàn)公式方法估算波浪能滑翔機(jī)各部分水平以及橫向阻力等相關(guān)水動力參數(shù)，其中水面母船和水下滑翔機(jī)構(gòu)的軸向阻力采用在海洋中拖拽的實(shí)驗(yàn)方法確定。在實(shí)驗(yàn)方面，波浪能滑翔機(jī)搭載GPS，慣性測量單元（IMU）以及無線電發(fā)射裝置在夏威夷海岸進(jìn)行為期 3 天的海試。而后采用歐拉模型，PID 控制方法同時忽略波浪能滑翔機(jī)各機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動通過數(shù)值積分方法模擬航跡、轉(zhuǎn)向和穩(wěn)定性計(jì)算，通過與采用EKF濾波方法對海試數(shù)據(jù)處理比較發(fā)現(xiàn)，建立的水動力模型具有準(zhǔn)確性。

1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，從公開發(fā)表的文獻(xiàn)可知，國內(nèi)研究波浪能滑翔機(jī)的單位主要有國家海洋中心、哈爾濱工程大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所、浙江大學(xué)及中船重工第 701 研究所等。

1.2.1研究內(nèi)容

迄今為止，國內(nèi)在波浪能滑翔機(jī)理論研究的主要內(nèi)容有：

1）多體系統(tǒng)動力學(xué)模型

通過對波浪能滑翔機(jī)做詳細(xì)受力分析，建立二維非線性波浪能滑翔機(jī)動力學(xué)方程，采用 Kane 方法、拉格朗日力學(xué)模型，同時忽略掉風(fēng)、海流、水面母船和水下滑翔機(jī)構(gòu)的耦合作用等隨時間變化的因素。

2）水動力學(xué) CFD 技術(shù)方法

根據(jù)邊界層理論對水面母船做三維粘性不可壓縮定常做靜水阻力計(jì)算；根據(jù)波浪線性理論（Airy 微振幅理論）解決船體水動力學(xué)問題；根據(jù)機(jī)翼理論對水下滑翔機(jī)構(gòu)整體和水翼做定常計(jì)算分析。

1.2.2數(shù)值模擬

近幾十年，隨著多體系統(tǒng)動力學(xué)和水動力學(xué) CFD技術(shù)商業(yè)軟件的飛速發(fā)展，目前國內(nèi)外數(shù)值模擬方法大部分采用多體系統(tǒng)動力學(xué)為主，水動力學(xué) CFD 技術(shù)定常計(jì)算方程參數(shù)。

賈麗娟等［10 - 12］利用 CFD 技術(shù)商業(yè)軟件 Fluent 分別對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)做水動力定常計(jì)算分析，通過對比計(jì)算平板和 NACA 翼型在不同來流速度、不同水翼間隔分布情況下的升阻比值，選取 NACA0006 翼型和 20 mm 間距作為設(shè)計(jì)參數(shù)；通過選定翼型和間距同時考慮到 4級海況，計(jì)算確定旋轉(zhuǎn)最大角度為 18°。基于波浪滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)選取在縱向平面內(nèi)建立含有 3 個自由度（前進(jìn)、升沉、縱傾）動力學(xué)方程，采用多體動力學(xué) Kane方法，略去方程高階形式，同時忽略水面母船和水下滑翔機(jī)構(gòu)間的耦合作用，利用軟件 Matlab 對水面母船、水下滑翔機(jī)構(gòu)、纜繩數(shù)模模擬可知波浪能滑翔機(jī)系統(tǒng)在一個波周期內(nèi)前進(jìn)速度先減速后加速。

Akaddin Elhadad等［13 - 14］使用較為準(zhǔn)確的數(shù)值方法預(yù)報船舶阻力，最小限度依賴傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)方法，分別采用 4 m 和 2 m Wigley 船型作為波浪能滑翔機(jī)水面船舶研究對象，使用商業(yè)軟件 Gambit 對三維船型劃分 3 種不同網(wǎng)格來驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，F(xiàn)luent 作為數(shù)值模擬求解軟件，采用三維不可壓縮兩相湍流的粘性定常方法計(jì)算模擬傅汝德數(shù)在 0.1 ～ 0.4 之間的阻力，并且與 ITTC 水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)具有非常好的一致性。

田寶強(qiáng)等［15 - 17］基于對波浪能滑翔機(jī)各部分質(zhì)量固定、水面母船縱傾、忽略纜繩質(zhì)量等假設(shè)，在縱向剖面根據(jù)拉格朗日力學(xué)模型，D-H 坐標(biāo)系方法建立運(yùn)動方程；根據(jù)波浪線性理論且考慮到系統(tǒng)附加質(zhì)量在不同波高、不同波周期設(shè)計(jì)參數(shù)情況下，通過對波浪能滑翔機(jī)前進(jìn)速度、纜繩角速度仿真計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)在波高或波周期相同情況下，波周期越小、波高越大，波浪能滑翔機(jī)前進(jìn)速度增大、纜繩的角速度增大。

俞建成等［18］旨在分析波浪能滑翔機(jī)的運(yùn)動效率，根據(jù)波浪線性理論得出包含動能和勢能的波能總能量，接著得出波浪能量輸入功率建立運(yùn)動效率公式，即水下滑翔機(jī)構(gòu)前進(jìn)水平方向的動力功率與波浪能量輸入功率之比，通過公式可以看出平臺效率與波高的二次方成反比，波浪周期成正比，水平速度的三次方成正比。通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證對輸入不同波高、波周期和水翼旋轉(zhuǎn)角度得出對波浪能滑翔機(jī)運(yùn)動效率的影響，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)速度對波浪能滑翔機(jī)的影響超過波浪周期，這些所做為水動力模型和運(yùn)動效率優(yōu)化分析作為指導(dǎo)。

鄭炳歡等［19］對水下滑翔機(jī)構(gòu)的水翼定常分析，采用NACA63-412 非對稱翼型，同時假設(shè)波浪誘導(dǎo)流速是恒定值，周圍壓力足夠高且無空化現(xiàn)象，通過軟件數(shù)值模擬計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對比分析水翼產(chǎn)生阻力的因素并且優(yōu)化水翼設(shè)計(jì)參數(shù)，通過對比計(jì)算表明水翼的旋轉(zhuǎn)角度為 45° 時水翼產(chǎn)生的水平推力達(dá)到極大值。

李小濤等［20 - 21］分析波浪能滑翔機(jī)各部分影響其吸收和利用波浪能的因素并分析在不同海浪等級條件下波浪滑翔機(jī)獲取的波浪能和水下滑翔體前行的推力。利用 CFD 軟件 Fluent 對水面母船不同來流方向和不同吃水做靜水阻力計(jì)算并與經(jīng)驗(yàn)公式對比發(fā)現(xiàn)趨勢相同；同時水下滑翔機(jī)構(gòu)的水翼選取 NACA0016 翼型，分別采用 6 對和 7 對水翼、旋轉(zhuǎn)固定為 ± 30° 時在不同來流攻角情況下做定常阻力計(jì)算?；?CFD 計(jì)算結(jié)果，對水面母船、纜繩、水下滑翔機(jī)構(gòu)做理論動力學(xué)非線性分析，以多體動力學(xué)軟件 ADAMS 和數(shù)值計(jì)算軟件 Matlab/Simulink 跨平臺聯(lián)合仿真形式對波浪滑翔機(jī)系統(tǒng)分別在 1 級和 3 級海況以及 9 級極端海況下、3 ～ 5 m 纜繩長度模擬耦合運(yùn)動。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

縱觀波浪能滑翔機(jī)理論研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀，可以看出：

1）波浪能滑翔機(jī)研究國外領(lǐng)先。國內(nèi)外波浪能滑翔機(jī)理論研究公開發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量較少，國內(nèi)相對于國外較多，國內(nèi)學(xué)者從多體動力學(xué)、水動力學(xué)角度分析且采用數(shù)值仿真模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，但都處于樣機(jī)試制階段；國外特別是美國研究領(lǐng)先，已先后發(fā)展多個版本、規(guī)模量產(chǎn)階段，我國在波浪能滑翔機(jī)研究水平和美國先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距。

2）我國波浪能滑翔機(jī)理論研究處于初步階段。目前國內(nèi)外主要研究在二維縱剖面內(nèi)做理論分析建立運(yùn)動方程，但對水面母船和水下滑翔機(jī)構(gòu)分塊研究較少，尤其是作為系統(tǒng)推進(jìn)部分的水下滑翔機(jī)構(gòu)應(yīng)為研究重點(diǎn)；由于波浪不確定性，水下滑翔機(jī)構(gòu)在一個波周期內(nèi)運(yùn)動處于時刻變化的過程，單一的固定水翼角度做定常分析無法滿足設(shè)計(jì)要求；同時水翼在對稱與非對稱機(jī)翼的選取、水翼水平排列相互間影響、以及在不同海況下確定旋轉(zhuǎn)角度如何尋求最大效能、三維六自由度波浪能滑翔機(jī)系統(tǒng)耦合運(yùn)動分析成為今后研究重點(diǎn)。

3）CFD 技術(shù)成為波浪能滑翔機(jī)水動力研究的有效手段。國內(nèi)外數(shù)值模擬為多體動力學(xué)和水動力學(xué)軟件模擬；多體動力學(xué)軟件仿真模擬通過建立非線性運(yùn)動方程形式可快速對系統(tǒng)運(yùn)動做快速預(yù)報，但方程計(jì)算參數(shù)大多采用經(jīng)驗(yàn)公式估算；隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及多功能模塊開發(fā)和應(yīng)用，功能日趨強(qiáng)大，使基于 CFD 的數(shù)值計(jì)算方法和試驗(yàn)方法相輔相成，尤其在參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算研究方面優(yōu)于模型試驗(yàn)，基于CFD 技術(shù)對設(shè)計(jì)部件以及系統(tǒng)采用動網(wǎng)格技術(shù)做非定常分析。

3　結(jié)　語

波浪能滑翔機(jī)采用新穎設(shè)計(jì)，有別于傳統(tǒng)海洋移動監(jiān)測平臺，它完全依靠波浪能和太陽能作為動力推進(jìn)，可攜帶多種海洋監(jiān)測設(shè)備完成監(jiān)測任務(wù)，將成為連接水下和陸地通信的中轉(zhuǎn)平臺，目前國內(nèi)對此研究處于起步階段，通過借鑒國外研究成果，走自主創(chuàng)新之路，希望國家投入更多的科研經(jīng)費(fèi)，進(jìn)一步完善優(yōu)化設(shè)計(jì)，掌握核心技術(shù)，為豐富我國海洋移動監(jiān)測平臺提供有力支撐。

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Research status on theory and numerical calculation of wave glider

YANG Fu-ming，WANG Da-zheng
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The wave glider is an autonomous surface platform driven by wave power，it converts the heave motion of the floating body acted by wave power into forward movement，so it can complete the persistent observation in a variety of marine environment，real-time，and large scope. This paper firstly presents the composition，propulsion of wave glider and its applications. And then discuss the status of research on theory and numerical calculation. Some advancing front of research subjects of the mutibody system dynamics and hydrodynamic of wave glider are analyzed，and current problems and some suggestions for future research.

wave glider；mutibody system dynamics；hydrodynamic；research progress

V277；TV131.2

A

1672 - 7619（2016）08 - 0001 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.001

2016 - 01 - 15；

2016 - 03 - 15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014AA09A507）

楊富茗（1987 - ），男，博士研究生，研究方向?yàn)椴ɡ嘶铏C(jī)水動力特性計(jì)算與混合驅(qū)動高效螺旋槳設(shè)計(jì)。