波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析

孙秀军, 刘金成, 桑宏强, 李 灿

波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析

孙秀军1, 2, 5, 刘金成1, 桑宏强3, 李 灿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. 天津工业大学 机械工程学院, 天津, 300387; 4. 中国海洋大学海洋高等研究院, 山东 青岛, 266100; 5. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 山东 青岛, 266237)

波浪滑翔器的被动扑翼机构是为其提供前向驱动的核心模块, 其推进效率直接影响波浪滑翔器的前进速度和控位精度。文中搭建了完整的被动扑翼推进效率分析构架, 建立了被动扑翼推进运动计算流体力学(CFD)仿真模型, 重点对二级海况下的被动扑翼加载扭簧情况进行了仿真研究, 并对部分仿真数据加以试验验证。CFD仿真结果表明, 扭簧刚度对被动扑翼推进性能具有重要影响, 在二级海况下, 扭簧刚度为6 N·m·rad-1时被动扑翼具有较高的推进效率和推进速度。CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势, CFD仿真模型可靠度较高, 对波浪滑翔器被动扑翼机构设计具有指导意义。

波浪滑翔器; 被动扑翼; 推进效率; 扭簧刚度

0 引言

波浪滑翔器是一种新型海洋移动观测平台, 其由水面母船及水下牵引机两部分组成, 可以将波浪能转换为前向驱动动能, 具有长期自主观测能力, 目前广泛应用于水文气象数据观测、环境监测、生物追踪、远程预警及通信中继等方面[1-3]。

水下牵引机是波浪滑翔器的驱动装置, 扑翼机构对称排布于水下牵引机两侧, 是波浪滑翔器的动力转换机构。如何提升波浪滑翔器运动速度及推进效率是国内外学者研究的重点。探究最优机构参数下被动扑翼机构的推进性能成为提升波浪滑翔器运动性能的重中之重。

国内外学者对此都进行了大量的探究, Javed等[4]建立了二维扑翼的半被动运动数值模型, 以弹簧和阻尼器同时限制竖直方向运动, 并输入正弦形式的俯仰激励, 重点探究了雷诺数、弹簧刚度和外部激励频率对扑翼能量获取行为的影响。Matthieu等[5]建立了二维全被动流体结构数值模型, 分别以扭簧和弹簧的形式对扑翼俯仰和升沉运动进行限制, 以扑翼的运动响应和驱动效率作为评判指标, 探究了扑翼质量、扑翼转动惯量、阻尼系数、弹簧刚度及扭簧刚度等多个参数对扑翼推进性能的影响。Young等[6]基于N-S方程建立了扑翼被动运动流体仿真模型, 探究了俯仰角与攻角的控制方法, 同时将涡流对扑翼推进性能影响的机理进行了描述, 探究结果表明在俯仰角与攻角控制下扑翼能量获取效率提升明显且与前人研究结果吻合性较好。Ansersen等[7]以数值分析与涡流实验相结合的方式对二维对称扑翼在自由流下的推进性能进行了探究, 分别对扑翼纯俯仰与纯升沉2种运动模式下的推进性能进行了探索, 并对尾涡结构差异进行了比对。Yang等[8]探究了在一定速度范围内, 转轴位置和扭簧刚度对二维扑翼推进性能的影响, 然后通过改变扑翼振幅和扭簧刚度, 对二维和三维6对串列翼进行了参数化研究。李灿[9]通过仿真方法分析了扑翼的最优运动方式、扑翼回复弹簧的刚度系数以及扑翼运动夹角的极限位置对波浪滑翔器推进速度的影响。当前关于波浪滑翔器扑翼的探究, 以单扑翼的主动运动或者原地被动运动为主, 对于在波浪作用下的前向驱动运动探究较少, 探究方法也多限于计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真研究, 将推进扑翼的仿真内容进行实验验证的探究较少。

文中以“海哨兵”波浪滑翔器的被动扑翼机构为研究对象, 参考相关机构参数, 首先建立了完整的推进效率分析模型, 然后利用FLUENT仿真软件创新性地对二级海况作用下被动扑翼前向驱动运动进行仿真, 并在此基础上较为全面地探究了给定海况下的最优扭簧刚度, 最后针对仿真模型设计了水池实验, 并将CFD仿真数据与水池实验数据进行了对比分析, 验证仿真模型的可靠性, 为波浪滑翔器的后续设计提供参考。

1 工作原理

波浪滑翔器能够通过自身的纯机械结构获得波浪动力, 实现正弦式滑翔前进, 其工作原理示意图如图1所示。水面母船随波浪升沉而产生上下运动, 通过脐带缆带动水下牵引机竖直方向运动, 水下牵引机在被动扑翼机构作用下产生水平方向拉力, 带动母船沿其运动方向前进。当水面母船随波浪上升时, 带动水下牵引机上升, 同时水下牵引机的被动扑翼机构产生水平方向的拉力, 使波浪滑翔器产生整体向前的推力; 当水面母船随波浪下降时, 水下牵引机构受自身重力和水动力共同作用, 使被动扑翼机构产生水平方向推力, 同样带动水面母船沿牵引机的运动方向滑翔运动。

图1 波浪滑翔器工作原理图

2 模型建立

2.1 运动描述

由工作原理分析可知, 扑翼的升沉运动导致扑翼绕转动轴的旋转运动和前向运动, 文中扑翼的升沉运动由系统主动施加, 其运动形式遵循规则波浪的运动规律, 且假设对波浪的运动响应为100%, 则扑翼升沉运动可表示为

2.2 受力分析

图2 扑翼上升阶段受力

除重力和浮力外, 扑翼所受外力为其所受升阻力, 可分解为水平和竖直2个方向

2.3 效率分析

对于被动扑翼机构的推进性能来说, 单纯的推进力及推进速度并不能准确对其评估, 而从功能的角度对系统进行效率分析是一种更为客观的评判方法, 因此引入推进效率的概念。

从功能关系来看, 扑翼上升或下降过程中都包含吸收能量与释放能量的过程, 而吸收能量的过程决定了扑翼的平均推进速度, 因此文中着重对扑翼吸收能量的过程进行效率分析。

则扑翼在有效周期内的平均输入功率

扑翼在有效周期内输出平均前向推力

扑翼在有效周期内输出平均水平速度

扑翼推进效率

2.4 数值模型建立

使用CFD软件FLUENT对二维扑翼进行仿真, 采用SST-湍流模型进行计算,对NC0012翼型

的一对扑翼进行仿真, 其特征参数如表1所示。

表1 扑翼特征参数

以扑翼特征弦长作为衡量尺度, 网格划分如图4所示, 计算域尺寸为40×20, 初始位置及运动极限位置均保证扑翼质心距离壁面大于5, 减小计算域壁面对扑翼运动造成的影响。应用动网格技术, 结合用户自定义函数(user defined function, UDF)实现扑翼被动运动, 并获取每个时间节点的运动学及动力学数据, 仿真参数设置如表2所示。

图4 单扑翼网格划分示意图

表2 仿真参数设置

3 数值计算仿真与分析

复杂多变的海洋环境, 增加了系统性仿真的难度, 为简化仿真并更为直观地发现定量规律, 文中采用西北太平洋海域二级海况进行仿真波浪输入条件简化, 波高选用0.4 m, 波周期选用4 s。仿真数据选取了2个周期内的数值, 在此基础上,分析了不同扭簧刚度对扑翼水平速度、前向驱动力及推进效率等一系列运动性能参数的影响。

图5为二级海况下, 不同刚度扭簧加载扑翼的水平速度随时间变化的曲线, 从曲线图形分析可知, 水平速度随着扑翼竖直方向的正弦运动表现出明显的正弦波动性, 且速度值全部为正值, 表明扑翼在前向运动过程中出现有规律的加速与减速运动。扑翼运动前半个周期的速度峰值明显小于后半个周期, 分析原因为扑翼下滑过程中受重力矩影响, 相对于上滑过程可以产生比较大的转动幅度, 在未失速的情况下, 扑翼摆动幅度越大推进力越大, 导致推进速度越大。从数值方面分析, 自扭簧刚度为18 N·m·rad-1开始, 随着扭簧刚度的减小, 扑翼水平速度在周期内出现了显著增长, 当扭簧刚度到达6 N·m·rad-1时, 水平速度增长趋势到达峰值, 随着扭簧刚度的继续减小, 水平速度出现了减小的趋势。

图5 不同扭簧刚度下水平速度仿真曲线

图6为二级海况下, 不同刚度扭簧加载扑翼的水平驱动力随时间的变化曲线。该曲线同样具有正弦波动性, 但相比于水平速度曲线, 水平驱动力曲线的峰值更加平缓, 可以解释为: 扑翼运动到某一时刻时水动力力矩与扭簧扭矩达到平衡, 出现了短暂的扑翼滑翔过程, 此时的水平驱动力达到峰值, 滑翔过程结束后水平驱动力开始降低。扑翼水平驱动力曲线前半个周期的峰值小于后半个周期的峰值, 进一步验证了上文关于周期内速度峰值差异的分析。从数值来看, 扭簧刚度的变化对水平驱动力有较大影响, 这种影响导致的差异在曲线峰值附近区域较为显著, 从扭簧刚度为18 N·m·rad-1开始, 随着扭簧刚度的减小前向驱动力曲线峰值逐渐增大, 在扭簧刚度为6 N·m·rad-1时, 前向驱动力曲线峰值达到最大, 随着扭簧刚度的继续减小, 曲线峰值变化不再明显, 甚至出现减小的趋势。

图6 不同扭簧刚度下水平驱动力仿真曲线

图7为扑翼的扭簧刚度-平均水平速度曲线, 通过对流场稳定后的有效周期内速度求积分平均得到, 由曲线可以直观地观察到: 随着扭簧刚度的增大, 平均水平速度出现了先增大后减小的现象, 表明在当前仿真条件下, 扭簧刚度有最优值, 当数值为6 N·m·rad-1时, 可以获得最大的平均水平速度0.66 m/s。

图7 扭簧刚度-平均水平速度仿真曲线

图8为扑翼在有效周期内扭簧刚度-平均水平驱动力曲线, 随着扭簧刚度的减小, 平均水平驱动力逐渐增大, 在扭簧刚度为6 N·m·rad-1时达到峰值, 随着扭簧刚度的继续减小, 平均水平驱动力出现减小趋势。

图9为扑翼的扭簧刚度-推进效率曲线, 由分析可知, 随着扭簧刚度的增加, 扑翼推进效率逐渐降低, 在扭簧刚度为3 N·m·rad-1和6 N·m·rad-1时推进效率较高, 分别为25.47%和19.68%, 当扭簧刚度大于6 N·m·rad-1时, 随着扭簧刚度继续增加, 推进效率急剧降低。

图8 扭簧刚度-平均水平驱动力仿真曲线

图9 扭簧刚度-推进效率仿真曲线

基于上述对于几种扑翼运动性能曲线的分析, 作出如下总结与机理分析:

1) 扑翼的水平速度曲线和水平驱动力曲线都呈现出周期性正弦变化, 表明扑翼推进运动中存在明显的加速与减速过程, 且随着扭簧刚度变化曲线幅值变化明显。

2) 随着扭簧刚度的增加, 扑翼平均水平速度和平均水平驱动力都呈现先增加后减小的趋势, 并在扭簧刚度为6 N·m·rad-1时出现峰值。

3) 随着扭簧刚度的增加, 扑翼推进效率逐渐减小, 扭簧刚度为3 N·m·rad-1和6 N·m·rad-1时,具有相对较高的推进效率。

从推进速度方面分析, 被动扑翼的推进主要依靠水流在扑翼上下不对称作用而产生的升力, 因此扑翼角度的控制直接影响了推进速度的大小, 而扭簧的作用可以理解为扑翼角度控制模块, 在限定波浪条件下, 扭簧刚度有最优值可以实现扑翼角度的最优控制; 从推进效率方面分析, 摆角控制直接影响扑翼推进系统的输入与输出功率, 弹簧越软, 则达到同等起伏运动状态所需输入功率越小, 输出功率与上述推进力直接相关, 而效率上则会出现高输出功率对应较低效率以及高效率对应较低输出功率的状况, 需要根据不同的波浪输入功率选取对应扭簧刚度。

4 水池试验与数据对比分析

4.1 试验平台设计

试验装置如图10所示, 主要由主体框架、滑动导轨、气动装置和扑翼机构等几部分组成, 其中, 气动装置包含气缸、气泵和控制器, 通过调节气压与气缸运动控制器, 可以改变扑翼运行的行程和周期。扑翼机构在气动装置驱动下实现起伏运动, 产生前向驱动力, 进而实现沿导轨纵向的运动。在扑翼运动方向上安装有HF-500拉力测试仪, 可以在定点测试的状态下实时接收扑翼驱动力数据。

图10 试验装置实物图

4.2 试验结果与分析

试验通过固定气缸行程为0.4 m, 调整运行周期为4s, 分别对扑翼加载扭簧刚度为3 N·m·rad-1、6 N·m·rad-1和10 N·m·rad-1的3种情况进行对比试验。试验利用拉力测试仪获取了扑翼在上述3种扭簧刚度下的瞬时水平驱动力, 对水平驱动力曲线进行积分平均, 同时将试验与仿真的扑翼平均水平速度进行比对, 验证仿真结果的准确性。

图11为试验结果与仿真结果对比的扭簧刚度-平均水平驱动力曲线, 从曲线分析可知, 试验结果与仿真结果曲线走势相同, 两者峰值出现在同一扭簧刚度下, 但数值方面略有差异。分析其原因, 为重力的作用导致试验过程中扑翼下落平均速度明显大于上升时的平均速度, 而在仿真中下落平均速度与上升平均速度差异较小, 试验输入功率高于仿真输入功率。另一方面, 较快的下落速度导致扑翼可以产生更大的摆角, 在未到达失速角之前摆角越大产生的推力越大。基于上述原因, 需要对试验数据进行有效修正, 才能使得试验数据在与仿真数据对比时有效。针对多次数据比对处理, 得到规律性较为明显的修正系数, 并对图示试验数据进行比例修正, 图中黑色曲线代表修正后的试验结果。经过比对, 修正后试验结果与仿真结果的最大偏差小于6.5%, 试验结果的可靠性较高。在试验过程中观察到明显的扑翼驱动加速与减速过程, 推测出水平驱动力是正负交替变化的, 这与仿真的水平驱动力数据一致。

图11 扭簧刚度-平均水平驱动力对比曲线

图12为试验结果与仿真结果对比的扭簧刚度-平均水平速度曲线, 由曲线分析可知试验结果与仿真结果趋势相近, 在数值方面试验结果略低于仿真结果。由于试验平台前向运动在导轨上完成, 试验装置运行所产生的摩擦阻力降低了平均水平推进速度。另外, 试验中引入了固定扑翼的试验结构, 导致试验装置自身质量会影响最终推进速度的大小。基于上述原因, 试验的平均水平速度曲线同样需要修正, 采用与前文同样的比例修正方法对图示试验数据进行修正, 图中黑色曲线为经过修正后的试验数据, 修正后试验数据与仿真数据的最大偏差小于10%, 表明试验数据具有较高的可靠性。

图12 扭簧刚度-平均水平速度对比曲线

Fig. 12 Comparison curves of the torsion spring stiffness and the average horizontal velocity

试验数据与仿真数据经过对比可知, 仿真的数据具有较高的可靠性。在一定海况下, 扭簧刚度存在最优值可以实现扑翼推进性能最优化, 此结果可以为后续扑翼弹簧的设计提供一定的理论依据, 另外由扑翼试验数据的误差分析可知, 扑翼机构的质量直接影响扑翼推进速度, 因此设计扑翼机构应以轻便为原则, 不宜过重。

5 结束语

通过FLUENT仿真软件对不同刚度扭簧加载扑翼的推进性能进行分析, 仿真结果表明, 扭簧刚度是影响被动扑翼推进性能的重要因素, 在二级海况下, 扭簧刚度为6 N·m·rad-1时扑翼具有最优的推进性能, 平均水平速度可达0.66 m/s, 推进效率可达19.68%。通过建立试验平台, 将部分仿真数据与试验数据进行比对, 发现由于试验条件的影响导致数值存在一定的偏差, 经过修正后试验数据与仿真数据的误差大大缩小, 仿真结果可靠性较高。

由于试验条件的影响, 导致试验数据的准确性存在一定的偏差, 在数据类型上也较为单一, 未能全面与仿真数据进行比对, 后续的研究工作需要进一步加强试验平台的精度, 同时提高平台的数据探测范围, 从而提升研究方法的可靠性。

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Propulsion Efficiency Analysis ofPassive Flapping Foil Mechanism of Wave Glider

SUN Xiu-jun1, 2, 5, LIU Jin-cheng1, SANG Hong-qiang3, LI Can4

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Key Laboratory of Physical Oceanography. Moe. China, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China; 4. Institute for Advanced Ocean Study, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 5. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China)

The passive flapping foilmechanism of a wave glider is the key module that provides forward driving, and its propulsion efficiency directly affects the wave glider’s forward speed and position control accuracy. In this study, a complete analysis framework of the passive flapping foil propulsion efficiency was built, and a computational fluid dynamic(CFD) simulation model of the passive flapping foil propulsion motion is established. Simulation research on the passive flapping foil loaded with torsion spring under second-level sea state was conducted, and some simulation data were verified by experiments. The CFD simulation results show that the torsion spring stiffness has a significant impact on the propulsion performance of the passive flapping foil, and the passive flapping foil had a higher propulsion efficiency and speed when the torsion spring stiffness was 6 N·m·rad-1in the second-level sea state. This study shows that the CFD simulation and experimental data follow the same trend, and the reliability of the CFD simulation model is high, which has guiding significance for the design of the wave glider’s passive-flapping foil mechanism.

wave glider; passive flapping foil; propulsion efficiency; torsion spring stiffness

TP24; TB126

A

2096-3920(2021)03-0265-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.003

孙秀军, 刘金成, 桑宏强, 等. 波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析[J].水下无人系统学报, 2021, 29(3): 265-271.

2020-08-05;

2020-09-25.

国家重点研发计划重点专项(2017YFC0305902); 山东省重大科技创新项目(2019JZZY020701); 青岛海洋科学与技术国家实验室“问海计划”项目(2017WHZZB0101); 天津市自然科学基金重点基金(18JCZDJC40100).

孙秀军(1981-), 男, 教授, 主要研究方向为波浪滑翔器技术及其海洋观测应用.

(责任编辑: 许 妍)