桑宏強(qiáng), 關(guān)海鵬*, 孫秀軍

波浪滑翔器水下?tīng)恳龣C(jī)抗擾動(dòng)性能研究

桑宏強(qiáng)1, 關(guān)海鵬1*, 孫秀軍2, 3, 4

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300387；2. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300130; 3. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266100; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266237)

針對(duì)波浪滑翔器因自身的弱機(jī)動(dòng)性原因而導(dǎo)致的在受到洋流干擾時(shí)無(wú)法良好保持其原有航向的缺點(diǎn), 以及單純采用控制系統(tǒng)來(lái)提高其抗流干擾性能, 帶來(lái)的因系統(tǒng)頻繁操舵導(dǎo)致的平臺(tái)功耗增加以及操縱系統(tǒng)磨損的不足, 文中以“海哨兵”波浪滑翔器為研究對(duì)象, 從結(jié)構(gòu)層面通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)分析不同牽引機(jī)展弦比、翼間距、翼板展弦比和不同洋流方向下的水下?tīng)恳龣C(jī)在洋流干擾下的航行軌跡, 來(lái)進(jìn)一步分析水下?tīng)恳龣C(jī)抗流干擾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 得到了水下?tīng)恳龣C(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗擾動(dòng)性能之間的關(guān)系。文中的研究可為水下?tīng)恳龣C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)及參考。

波浪滑翔器; 水下?tīng)恳龣C(jī); 抗擾動(dòng)性能; 計(jì)算流體力學(xué); 洋流干擾

0 引言

2010年, 美國(guó)Liquid Robotics公司首先推出可應(yīng)用于科學(xué)研究與考察活動(dòng)的波浪滑翔器[1-2]。此后, 因與傳統(tǒng)的水面無(wú)人船相比, 波浪滑翔器克服了使用油或電池作為動(dòng)力源而帶來(lái)的續(xù)航時(shí)間短、易造成環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)[3-4], 而引發(fā)了各國(guó)的研究熱潮[5-14]。其中, Elhadad等[5-6]利用Fluent作為數(shù)值求解軟件, 仿真計(jì)算了傅汝德數(shù)在0.1~0.4之間2種船型的阻力, 預(yù)報(bào)了波浪滑翔器的船舶阻力, 經(jīng)與水池實(shí)驗(yàn)對(duì)比具有良好的一致性; 賈麗娟[7]利用Fluent軟件分析了常穩(wěn)態(tài)條件下水翼的翼型、翼間距和擺幅角對(duì)波浪滑翔器水動(dòng)力性能影響; 桑宏強(qiáng)等[8]對(duì)波浪滑翔器的縱向速度與波浪參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了定量分析, 對(duì)提升波浪滑翔器動(dòng)力性能具有重要意義; Kraus等[9-10]以wave glider SV2為對(duì)象建立了操縱性的數(shù)學(xué)模型, 在無(wú)海流干擾的條件下對(duì)其進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn), 仿真出波浪滑翔器能夠在半徑40 m的設(shè)定點(diǎn)圓域內(nèi)進(jìn)行位置保持; Wang等[11]考慮了臍帶纜變化的影響, 建立了波浪滑翔器的動(dòng)力學(xué)模型并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其模型的合理性; Wang等[12]使用牛頓歐拉方法建立了波浪滑翔器四自由度的數(shù)學(xué)模型, 該模型考慮了水平面內(nèi)的2階波漂移力和垂直面的1階波浪力, 并考慮到纜繩的弾性變形, 通過(guò)一些運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了模型的有效性。

當(dāng)前針對(duì)波浪滑翔器抗擾動(dòng)性能的研究, 主要從控制算法方面來(lái)改善其航行過(guò)程中因各類(lèi)干擾的存在, 及自身弱機(jī)動(dòng)性的特征而引起的航行軌跡較差的現(xiàn)象。Liao等[13-14]考慮到海洋環(huán)境中擾動(dòng)的影響, 設(shè)計(jì)了一款波浪滑翔器智能控制系統(tǒng), 針對(duì)海洋環(huán)境特別是洋流擾動(dòng)引起的路徑跟隨任務(wù)穩(wěn)態(tài)誤差, 提出了一種自適應(yīng)比例-積分-微分(proportion-integral-derivative, PID)控制方法, 同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)中舵零漂的問(wèn)題, 提出了一種基于舵角補(bǔ)償改進(jìn)的S(Sigmoid)面控制方法, 該方法可以補(bǔ)償環(huán)境干擾以及安裝誤差的影響, 海試驗(yàn)證了其有效性; Wang 等[15]基于人工魚(yú)群算法進(jìn)行艏向S面控制器的參數(shù)優(yōu)化, 提高了在海洋環(huán)境干擾下波浪滑翔器的艏向控制性能。

然而, 已有研究對(duì)于從結(jié)構(gòu)層面對(duì)波浪滑翔器抗擾動(dòng)性能的研究卻少有提及。水下?tīng)恳龣C(jī)作為波浪滑翔器的驅(qū)動(dòng)裝置, 其在洋流干擾下運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)劣對(duì)于波浪滑翔器能否有效實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤有著極為重要的意義。文中以波浪滑翔器的驅(qū)動(dòng)裝置水下?tīng)恳龣C(jī)為研究對(duì)象, 通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù), 對(duì)牽引機(jī)洋流干擾下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析, 對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的牽引機(jī)的航行軌跡, 為波浪滑翔器水下?tīng)恳龣C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 波浪滑翔器概述

波浪滑翔器由隨波浪起伏的水面浮體船、在水下運(yùn)動(dòng)的牽引機(jī)以及連接水面浮體船與水下?tīng)恳龣C(jī)的臍帶纜組成。水面浮體船由浮力材料組成; 臍帶纜由聚氨酯材料制作而成; 水下?tīng)恳龣C(jī)的翼板由截面形狀為NACA0012的碳纖維材料制作而成, 如圖1所示。

圖1 “海哨兵”波浪滑翔器

波浪滑翔器的工作原理為: 水面浮體船隨著波浪的起伏運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)整個(gè)平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng), 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)促使水下?tīng)恳龣C(jī)上的翼板沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn), 翼板旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的前向力, 帶動(dòng)牽引機(jī)向前運(yùn)動(dòng), 從而通過(guò)臍帶纜帶動(dòng)整個(gè)平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)。波浪滑翔器最大的優(yōu)點(diǎn)就是不論海浪朝向如何, 水下?tīng)恳龣C(jī)的翼板均能分解出前向的力, 從而使整個(gè)平臺(tái)時(shí)刻擁有前向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。文中以“海哨兵”波浪滑翔器為研究對(duì)象, 具體參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)海試所觀(guān)察的軌跡圖(如圖2)可以看出, 當(dāng)前波浪滑翔器由于具有弱機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn), 使得其在航行過(guò)程中受洋流干擾的狀況十分明顯, 因此為了提升其抗干擾能力, 使其在航行過(guò)程中能穩(wěn)定航行, 文中將對(duì)其在洋流干擾下的航行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析, 通過(guò)Fluent軟件, 分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的牽引機(jī)在洋流干擾下的航行軌跡, 進(jìn)而得出水下?tīng)恳龣C(jī)抗洋流干擾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 為波浪滑翔器牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參考。

表1 波浪滑翔器幾何參數(shù)

圖2 波浪滑翔器海試時(shí)航行軌跡

2 仿真模型建立與驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

文中仿真以“海哨兵”波浪滑翔器為原型進(jìn)行簡(jiǎn)化, 牽引機(jī)長(zhǎng)度為1.6 m, 高度為0.29 m, 翼板采用的截面為NACA0012外形, 弦長(zhǎng)為0.16 m, 展長(zhǎng)0.5 m, 相鄰水翼間距為0.04 m, 其簡(jiǎn)化的牽引機(jī)模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)化模型

計(jì)算域?yàn)?個(gè)長(zhǎng)方體, 大小為12 m×7 m×6 m,左側(cè)邊界距牽引機(jī)4 m, 右側(cè)邊界距牽引機(jī)6.4m。牽引機(jī)表面設(shè)置為壁面邊界條件, 牽引機(jī)左側(cè)設(shè)置為速度入口的邊界條件, 右側(cè)設(shè)置為壓力出口邊界條件, 以此來(lái)模擬洋流干擾下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖4為東南沿海地區(qū)的洋流速度分布圖, 設(shè)本次速度入口速度為0.2m/s,表示洋流數(shù)量。為了模擬水下無(wú)限大的海域, 將計(jì)算域的其他邊界設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界, 如圖5所示。

圖4 洋流速度大小分布圖

圖5 牽引機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算域尺寸和邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 劃分出的網(wǎng)格如圖6所示, 網(wǎng)格數(shù)量為347萬(wàn)。

圖6 牽引機(jī)網(wǎng)格模型

文中將從牽引機(jī)的展弦比、翼板間距、翼板展弦比的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同洋流方向4個(gè)方面來(lái)對(duì)牽引機(jī)在洋流干擾下的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了對(duì)仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證, 文中對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了仿真, 模擬了3種不同網(wǎng)格數(shù)下?tīng)恳龣C(jī)在洋流干擾下的偏移軌跡, 圖7中給出了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的仿真結(jié)果。

圖7 不同網(wǎng)格數(shù)量下?tīng)恳龣C(jī)航行軌跡

由圖中可以看出, 3種不同網(wǎng)格數(shù)下?tīng)恳龣C(jī)受到洋流干擾時(shí)偏移的軌跡基本一致, 網(wǎng)格尺寸422萬(wàn)與網(wǎng)格尺寸347萬(wàn)偏移軌跡的差距要比網(wǎng)格尺寸286萬(wàn)的小, 為了平衡計(jì)算精度以及計(jì)算機(jī)資源的使用, 文中仿真選擇網(wǎng)格數(shù)為中等網(wǎng)格的347萬(wàn)。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 展弦比對(duì)牽引機(jī)航行軌跡的影響

將牽引機(jī)的展弦比定義為

牽引機(jī)在不同展弦比下受到洋流干擾情況的航行軌跡如圖8所示。

圖8 不同展弦比下?tīng)恳龣C(jī)航行軌跡

圖9為“海哨兵”波浪滑翔器牽引機(jī)相同結(jié)構(gòu)參數(shù)在有流干擾時(shí)的速度云圖。從圖中可以看出, 牽引機(jī)的速度在0.35~0.7 m/s之間, 這與海試時(shí)波浪滑翔器的速度基本一致, 保證了仿真的可行性。從圖8可知, 隨牽引機(jī)展弦比的增大, 牽引機(jī)抗干擾的能力增強(qiáng), 其直航過(guò)程中偏移的距離變小, 當(dāng)牽引機(jī)展弦比從7.5增大至8.5之后, 其抗干擾的能力基本一致。

圖10顯示了水下?tīng)恳龣C(jī)在航行過(guò)程中橫滾力矩的變化情況。可以看出, 牽引機(jī)展弦比不同時(shí), 其橫滾力矩變化幅度基本保持一致, 說(shuō)明牽引機(jī)展弦比在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)其航行過(guò)程中橫滾的姿態(tài)影響不大。

圖9 洋流干擾時(shí)牽引機(jī)速度云圖

圖10 不同展弦比下?tīng)恳龣C(jī)橫滾力矩變化曲線(xiàn)

圖11~圖12為牽引機(jī)在無(wú)干擾及有干擾時(shí),航行過(guò)程中的阻力變化圖及壓力變化云圖。由圖可知, 有、無(wú)洋流干擾時(shí), 牽引機(jī)上下表面壓差與航行阻力均基本一致, 說(shuō)明洋流干擾對(duì)牽引機(jī)航行過(guò)程中的阻力影響不大, 影響其航行阻力的因素與其上下表面壓差相關(guān)。

圖11 不同展弦比下?tīng)恳龣C(jī)阻力變化曲線(xiàn)

3.2 翼板展弦比對(duì)牽引機(jī)航行軌跡的影響

圖13為不同翼板展弦比時(shí)航行軌跡變化圖。從圖中可看出, 展弦比3.125與展弦比3.5受干擾時(shí)偏移的軌跡近似; 而展弦比4偏移了較小的距離, 說(shuō)明增大翼板的展弦比會(huì)在一定程度上增強(qiáng)牽引機(jī)抗擾動(dòng)的能力。圖14為不同翼板展弦比時(shí)的橫滾力矩變化曲線(xiàn), 可以看出, 3種情況下橫滾力矩基本一致, 說(shuō)明其在航行過(guò)程中左右晃動(dòng)的姿態(tài)也基本一致。

圖12 牽引機(jī)壓力云圖

圖13 不同翼板展弦比下?tīng)恳龣C(jī)航行軌跡

圖14 不同翼板展弦比下?tīng)恳龣C(jī)橫滾力矩變化曲線(xiàn)

3.3 翼板間距對(duì)牽引機(jī)航行軌跡的影響

圖15為不同翼板間距時(shí)的航行軌跡, 可以看出, 翼間距40 mm與60 mm受到干擾發(fā)生的偏移比翼間距50 mm的要大, 翼間距50 mm時(shí)的牽引機(jī)表現(xiàn)出了一定的抗流干擾能力。從圖16中可知, 翼間距40 mm與翼間距50 mm的橫滾力矩基本一致, 翼間距50 mm的橫滾力矩波動(dòng)更小, 而翼間距60 mm時(shí)其橫滾力矩波動(dòng)劇烈, 這將導(dǎo)致?tīng)恳龣C(jī)在航行時(shí)更加不穩(wěn)定。

圖15 不同翼板間距下?tīng)恳龣C(jī)航行軌跡

圖16 不同翼板間距下?tīng)恳龣C(jī)橫滾力矩變化曲線(xiàn)

3.4 不同洋流方向?qū)恳龣C(jī)航行軌跡的影響

海洋水面以下的洋流方向各不相同, 同時(shí)牽引機(jī)在航行過(guò)程中的方向也會(huì)隨時(shí)變化, 為了研究洋流方向?qū)τ跔恳龣C(jī)航行軌跡的影響, 對(duì)于不同洋流方向下?tīng)恳龣C(jī)航行過(guò)程進(jìn)行了仿真, 在仿真中設(shè)置洋流入口方向與牽引機(jī)速度方向夾角為30°、60°、90°下的航行軌跡并進(jìn)行對(duì)比分析, 如圖17所示。圖中, 在一段航行時(shí)間后, 牽引機(jī)偏移的軌跡在90°時(shí)達(dá)到了0.3 m左右, 而此時(shí)側(cè)向流30°與60°時(shí)分別偏移了0.07 m和0.13 m左右。

圖17 不同洋流方向下?tīng)恳龣C(jī)航行軌跡

圖18為不同洋流方向下?tīng)恳龣C(jī)橫滾力矩變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出, 牽引機(jī)在30°側(cè)向流下受到的橫滾力矩較小且幅度很小, 說(shuō)明其姿態(tài)保持較好; 而60°的橫滾力矩較大, 波動(dòng)也很劇烈。綜上可知, 牽引機(jī)在航行時(shí)應(yīng)盡量控制其速度方向與洋流方向的夾角在30°以?xún)?nèi), 從而避免引起橫滾角過(guò)大以及偏航的現(xiàn)象。

圖18 不同洋流方向下?tīng)恳龣C(jī)橫滾力矩變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

根據(jù)文中的研究, 可以得出以下結(jié)論:

1) 當(dāng)前波浪滑翔器結(jié)構(gòu)參數(shù)下的水下?tīng)恳龣C(jī)的抗洋流干擾能力較弱, 在洋流干擾情況下會(huì)發(fā)生較大偏移, 這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得牽引機(jī)需通過(guò)頻繁打舵來(lái)保持航向, 并帶來(lái)舵機(jī)的功率增加以及操縱裝置的磨損;

2) 增大牽引機(jī)的展弦比對(duì)其在航行過(guò)程中抗洋流干擾的能力有一定提升, 但當(dāng)提升到一定程度之后, 提升效果便不會(huì)再有大幅改變;

3) 增大翼板的展弦比會(huì)有效提升牽引機(jī)航行過(guò)程中的穩(wěn)定直航及抗洋流干擾的能力, 但受牽引機(jī)總體尺寸參數(shù)的限制, 在增加翼板展弦比時(shí)要保證整體結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)調(diào)性以進(jìn)行合理的優(yōu)化;

4) 當(dāng)翼板間距從40 mm增大到60 mm時(shí), 其抗洋流干擾能力減弱, 因此在設(shè)計(jì)牽引機(jī)時(shí), 盡量將翼板間距設(shè)定在40~60 mm, 以此來(lái)保證牽引機(jī)航行過(guò)程中抵抗洋流干擾的能力;

5) 牽引機(jī)在航行時(shí)盡量將速度方向與洋流方向夾角控制在30°以?xún)?nèi)航行, 以保證其姿態(tài)以及抗洋流干擾的性能。

從工程應(yīng)用的角度, 文中結(jié)論可為波浪滑翔器牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參考, 但由于海洋中洋流變化的多樣性, 對(duì)于不同洋流干擾下的狀況并未做出分析。未來(lái)將繼續(xù)對(duì)不同洋流干擾下?tīng)恳龣C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其航行軌跡的影響進(jìn)行研究。

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Research on Anti-Disturbance Performance of the Underwater Tractor for Wave Glider

SANG Hong-qiang1, GUAN Hai-peng1*, SUN Xiu-jun2, 3, 4

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 3. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. Laboratory of Marine Dynamics and Climate Function, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China)

Aiming at the shortcomings that wave gliders cannot maintain original course well when it is disturbed by ocean currents due to their weak maneuverability and the use of simple control system to improve its anti-flow interference performance, which results in increased platform power consumption and the wear of the control system due to the frequent steering. In this paper, the dynamics of “Sea Sentry” wave glider are considered. The trajectory of the underwater tractor with different underwater tractor aspect ratio, wing spacing, aspect ratio of wing and direction of ocean current under ocean current interference is calculated by computational fluid dynamics(CFD) technology and the structural characteristics of the underwater tractor anti-flow interference is analyzed. The relationship between the relevant structure parameters of the underwater tractor and the anti-disturbance performance of the underwater tractor is obtained. This work provides a basis and reference for the design optimization of the underwater tractor structure in the future.

wave glider; underwater tractor; anti-disturbance performance; computational fluid dynamics(CFD); interference of the ocean current

TJ630; U674.941; TP18

A

2096-3920(2020)04-0376-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.004

2019-09-20;

2019-11-30.

青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“問(wèn)海計(jì)劃”項(xiàng)目(2017WHZZB0101); 天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(18JCZDJC40 100); 天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃(TD13-5037).

關(guān)海鵬(1993-), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笠苿?dòng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)技術(shù).

桑宏強(qiáng), 關(guān)海鵬, 孫秀軍. 波浪滑翔器水下?tīng)恳龣C(jī)抗擾動(dòng)性能研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(4): 376-381.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)