水下滑翔機(jī)海底駐留流體動力及穩(wěn)定性仿真

張寶收,宋保維,毛昭勇,姜軍

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,710072,西安)

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水下滑翔機(jī)海底駐留流體動力及穩(wěn)定性仿真

張寶收,宋保維,毛昭勇,姜軍

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,710072,西安)

為了研究水下滑翔機(jī)的穩(wěn)定駐留問題進(jìn)行了數(shù)值仿真,包括定義滑翔機(jī)的2種失穩(wěn)狀態(tài),即流體對駐留平臺的作用力大于支架與海底的摩擦阻力時發(fā)生的滑移,以及流體對駐留平臺的翻轉(zhuǎn)力矩大于負(fù)浮力所能提供的最大約束力矩時發(fā)生的翻轉(zhuǎn),建立臨界失穩(wěn)的數(shù)學(xué)模型。考慮滑翔機(jī)與流場和海床的復(fù)合影響,運(yùn)用Ansys CFX軟件完成了數(shù)值仿真,仿真時研究了流場速度0～2 m/s、浮心到海底距離0.15～0.5 m以及不同攻角及方位角對駐留狀態(tài)的影響,由此繪制了流體對駐留平臺的作用力和力矩變化曲線。研究結(jié)果表明:浮心到海底距離小于0.3 m時壁面效應(yīng)明顯,有利于穩(wěn)定駐留;滑翔機(jī)駐留攻角將極大影響駐留平臺的穩(wěn)定性;方位角在150°～155°時流體擾動最大。該結(jié)果可為滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)定型和實(shí)際駐留研究提供參考。

水下滑翔機(jī);穩(wěn)定駐留;數(shù)值仿真

水下滑翔機(jī)(Glider)是一種新型無人水下航行器,其利用質(zhì)心和浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生滑翔驅(qū)動力,相比細(xì)長回轉(zhuǎn)體型航行器,續(xù)航時間長、穩(wěn)定性高。此滑翔機(jī)具有翼身融合外觀,能更好地利用流體升力,實(shí)現(xiàn)大滑翔比運(yùn)動[1]。

當(dāng)航行器需要定點(diǎn)探測某一固定海域或定點(diǎn)潛伏時,需要具有穩(wěn)定的駐留能力。目前,針對各種新型水下航行器駐留平臺的研究已成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)。對于錨泊型駐留平臺,田文龍等進(jìn)行了纜繩系泊發(fā)電的仿真研究[2]。Johanning等通過對鏈條離散化建模得到了外力干擾下鏈條的數(shù)學(xué)模型[3-4]。Mavrakos等完成了理想鏈條深水動力學(xué)建模[5]。水下航行器的錨泊駐留方式結(jié)構(gòu)簡單,但對于需要保持穩(wěn)定姿態(tài)的航行器,此種駐留方式約束不足。

王曉鳴等系統(tǒng)研究了自主式水下航行器(AUV)水下著陸策略,確定了坐底著陸的可行性[6]。Smallwood等對航行器的駐留運(yùn)動過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模[7]。朱信堯等對坐底型水下航行器的流體動力特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究[8]。宋保維等對無人水下航行器(UUV)海底駐留運(yùn)動和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)[9-10]。坐底型水下航行器需要附著物較少的平坦海底。

本文提出了翼身融合型水下滑翔機(jī)(簡稱水下滑翔機(jī))的液壓駐留方式,如圖1所示,其采用液壓支架(LG)支撐在海床上,在保持滑翔機(jī)自身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上遠(yuǎn)離海底因素的干擾,保證更好地完成定點(diǎn)潛伏探測、偵查反蛙人等相關(guān)任務(wù)。此駐留方式受力特性和穩(wěn)定性的相關(guān)研究,可為后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等提供有意義的參考。

圖1 水下滑翔機(jī)海底駐留

1 駐留狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型

1.1 駐留失穩(wěn)的定義

水下滑翔機(jī)駐留平臺的穩(wěn)定性是指受到流體擾動后,不發(fā)生位置和姿態(tài)的變化。駐留平臺失穩(wěn)形式主要有兩種:流體對駐留平臺的作用力大于液壓支架與海底的水平摩擦阻力時發(fā)生的滑移,如圖2a所示;流體對駐留平臺的翻轉(zhuǎn)力矩大于負(fù)浮力所能提供的最大約束力矩時發(fā)生的翻轉(zhuǎn),如圖2b所示。

(a)滑移

(b)翻轉(zhuǎn)圖2 水下滑翔機(jī)駐留時兩種失穩(wěn)形式

1.2 駐留失穩(wěn)的數(shù)學(xué)建模

針對水下滑翔機(jī)駐留平臺失穩(wěn)的兩種形式,分析了其受力特性。下面就兩種失穩(wěn)分別建立臨界狀態(tài)的平衡方程。

(1)滑移。液壓支架與海底摩擦系數(shù)為k0,駐留平臺重力為G、浮力為N,臨界失穩(wěn)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型為

Fx+FLx-k0(ΔG-Fy-FLy)≥0

(1)

式中:Fx為流體對滑翔機(jī)水平方向的作用力;Fy為流體對滑翔機(jī)垂直方向的作用力;FLx為流體對液壓支架水平方向的作用力;FLy為流體對液壓支架垂直方向的作用力;ΔG為駐留平臺受到的負(fù)浮力。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn),作用力系數(shù)Cx[11]是關(guān)于攻角變化的經(jīng)驗(yàn)參考值,即Cx=0.003 09α2-0.002 19α+0.114 46,由下式確定

Fx=∫Ωt[-pcos(n,x)+τcos(t,x)]dΩt=

(2)

ΔG=G-N

(3)

式中:S為特征面積,即滑翔機(jī)在運(yùn)動方向的投影面積;v∞為來流速度。

(2)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)駐留平臺相對于后支點(diǎn)PB受到的流體力矩超過負(fù)浮力對PB點(diǎn)的力矩時發(fā)生側(cè)翻,此時的臨界狀態(tài)為前支點(diǎn)PA受到的海底支撐力為0。該臨界失穩(wěn)的數(shù)學(xué)模型為

(Fy+FLy-ΔG)L1≥0

(4)

式中:FP為在前端支點(diǎn)PA處受到的海底支撐力;M0為UUV對支點(diǎn)PB的流體力矩;ML為液壓支架對支點(diǎn)PB的流體力矩,通過仿真可直接獲得。

前、后俯仰側(cè)翻如圖3a所示,若來流方向?yàn)閭?cè)向,則翻轉(zhuǎn)繞側(cè)面支點(diǎn)進(jìn)行,如圖3b所示。

(a)側(cè)視圖

(b)正視圖圖3 水下滑翔機(jī)駐留受力特性

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 流體計(jì)算控制方程

對流動問題的求解即是對納維-斯托克斯(N-S)方程的求解[12]。不可壓縮流動控制方程為連續(xù)方程和N-S方程

·U=0

(5)

(6)

式中:U為速度矢量;μ為流體動力黏性系數(shù)。

2.2 邊界條件

通過建立流場邊界構(gòu)成計(jì)算域,這樣將外部繞流問題轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)流問題。駐留平臺流場的計(jì)算域如圖4所示,其邊界條件設(shè)定如下。

(1)入口:選用Inlet邊界類型,速度方向與壁面垂直,湍流強(qiáng)度根據(jù)流速變化確定。

(2)出口:選用Outlet邊界類型,出口壓力為0 Pa。

(3)上壁面和左右壁面:設(shè)定為自由滑移壁面。

(4)下壁面:考慮近壁面效應(yīng),選用無滑移壁面。

(5)液壓支架和滑翔機(jī):無滑移壁面。

圖4 流場計(jì)算域

本文假設(shè)不考慮流體對UUV和支架的作用力產(chǎn)生形變的影響,擋泥板與泥沙(計(jì)算域的下壁面)為剛性接觸。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

3.1 三維模型與網(wǎng)格劃分

滑翔機(jī)整體為扁平三角形,縱平面和水平面對稱[1],主要參數(shù)如表1所示。為保持滑翔機(jī)較高的靈活性,設(shè)計(jì)時不會存有較大的剩余浮力?；铏C(jī)駐留采取4根關(guān)于中心對稱布置的斜置3級液壓支架,并通過擋泥板與海底接觸,摩擦系數(shù)k0來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),約為0.8,即為正常無沉降條件下液壓桿(鋼材)與泥沙發(fā)生相對滑動時的最大摩擦系數(shù)。

表1 水下滑翔機(jī)主要參數(shù)

水下滑翔機(jī)駐留平臺的外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證網(wǎng)格更好地貼合滑翔機(jī)表面,本文采用加密細(xì)化的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并以Ansys ICEM軟件為工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13],結(jié)果如圖5所示。

(a)流場整體網(wǎng)格 (b)滑翔機(jī)頭部網(wǎng)格圖5 駐留狀態(tài)整體網(wǎng)格及局部表面細(xì)節(jié)網(wǎng)格

3.2 駐留狀態(tài)的計(jì)算工況

本文數(shù)值模擬了流場速度v、滑翔機(jī)浮心到海底的距離H、滑翔機(jī)攻角α和駐留方位角φ的工作狀況,如表2所示。

表2 駐留狀態(tài)的計(jì)算工況

3.3 求解結(jié)果

對速度為1 m/s、浮心到海底距離為0.4 m、攻角為0°的數(shù)值仿真結(jié)果經(jīng)后處理,得到的壓力分布云圖、流線圖如圖6、圖7所示。可以看出,在滑翔機(jī)迎流前端和液壓支架迎流面均出現(xiàn)了一條高壓帶。

圖6 滑翔機(jī)表面壓力分布云圖

圖7 滑翔機(jī)表面流線發(fā)展圖

駐留平臺縱平面內(nèi)的壓力分布云圖和流線圖如圖8、圖9所示?？梢钥闯?滑翔機(jī)前端流場出現(xiàn)高壓區(qū)域,流速減小,流場未出現(xiàn)明顯分離;滑翔機(jī)后端壓力明顯小于前端,前后壓差產(chǎn)生了流體阻力。

圖8 縱平面內(nèi)壓力云圖

圖9 縱平面內(nèi)流線圖

駐留平臺側(cè)平面內(nèi)壓力分布云圖和流線圖如圖10、圖11所示?？梢钥吹?滑翔機(jī)正前端出現(xiàn)低速高壓流場,與縱平面內(nèi)流場相似。

圖10 側(cè)平面內(nèi)壓力云圖 圖11 側(cè)平面內(nèi)流線圖

4 結(jié)果處理與分析

4.1 流速對駐留的影響

(a)Fx與速度的關(guān)系

(b)Fy與速度的關(guān)系圖12 流體對駐留平臺的作用力與速度的變化關(guān)系

圖13 流體對駐留平臺的力矩與速度的變化關(guān)系

在平坦海底條件下,選定滑翔機(jī)浮心到海底距離為0.3 m,由此分析流速對駐留狀態(tài)的影響。流體作用力和力矩隨速度的變化如圖12、圖13所示?？梢钥闯?Fx和Fy隨流速的增大而增大;FLx和FLy隨流速的增大而增大。顯然,流體對駐留系統(tǒng)整體(Total)的作用力和力矩均隨速度的增大而增大。豎直方向流體作用力的增大,會導(dǎo)致駐留系統(tǒng)對海底的壓力減小,從而摩擦力減小。

為防止滑移失穩(wěn),需要調(diào)整負(fù)浮力,在最大速度條件下,根據(jù)式(1)得ΔG不小于137 N。為防止翻轉(zhuǎn)失穩(wěn),根據(jù)式(4)得ΔG不小于98.5 N?？梢?滑移失穩(wěn)相比翻轉(zhuǎn)更容易發(fā)生。

4.2 到海底壁面的距離對駐留的影響

(a)Fx

(b)Fy圖14 流體對駐留平臺的作用力與到海底距離的變化關(guān)系

圖15 流體對駐留平臺的力矩與到海底距離的變化關(guān)系

取流場v=1 m/s來分析滑翔機(jī)無攻角迎流時浮心到海底距離對駐留的影響。力和力矩隨浮心到海底距離變化的擬合曲線如圖14、圖15所示?？梢钥闯?隨著浮心距離的增大,支架伸出的長度增加,流體作用力和力矩增大。離海底壁面越近,近壁面效應(yīng)越大,滑翔機(jī)與海底壁面之間的流速越大、壓強(qiáng)減小。流體對滑翔機(jī)豎直向下的作用力增大,將駐留平臺壓向海底。當(dāng)離海底壁面距離超過0.3 m時,壁面效應(yīng)減小,受海底壁面干擾流體存在向上的速度,滑翔機(jī)受到的升力較小。隨著浮心到海底距離的增大,支點(diǎn)的力矩增大,駐留系統(tǒng)越容易傾覆。

為保持滑翔機(jī)穩(wěn)定,不發(fā)生滑移,根據(jù)式(1)得ΔG不小于60.75 N。為保證不發(fā)生翻轉(zhuǎn)失穩(wěn),根據(jù)式(4)得ΔG不小于47.48 N。

4.3 滑翔機(jī)攻角對駐留的影響

下面分析滑翔機(jī)攻角在-12°～+12°范圍內(nèi)對駐留的影響。力和力矩隨攻角變化的擬合曲線如圖16、圖17所示?？梢钥闯?隨著攻角的增大,滑翔機(jī)受到的阻力先減小再增大,且關(guān)于零攻角對稱。分析升力從-415 N增大到315 N,力矩從-81 N·m增大到69 N·m可知,當(dāng)升力和力矩為負(fù)值時,滑翔機(jī)壓緊在海床上。水下滑翔機(jī)駐留在不平坦的海床時受到的外力擾動較大,需要提供較大的負(fù)浮力,以克制失穩(wěn)發(fā)生。

(a)Fx

(b)Fy圖16 流體對駐留平臺的作用力與攻角的變化關(guān)系

圖17 流體對駐留平臺的力矩與攻角的變化關(guān)系

根據(jù)式(1),在攻角為+12°時最易發(fā)生滑移,為保證不發(fā)生滑移,最小負(fù)浮力ΔG應(yīng)不小于451 N。根據(jù)式(4),在攻角為+12°時最易發(fā)生翻轉(zhuǎn),為不產(chǎn)生失穩(wěn),最小負(fù)浮力ΔG應(yīng)不小于546 N。

4.4 滑翔機(jī)駐留方位角對駐留的影響

滑翔機(jī)駐留時,其頭部難以保證正向迎流,會與洋流存在夾角,其定義為方位角φ,如圖18所示。

圖18 滑翔機(jī)駐留方位角示意圖

(a)Fx

(b)Fy圖19 流體對駐留平臺的作用力與方位角的變化關(guān)系

在平坦海底,浮心到海底距離為0.4 m,方位角從0°增加到180°時,滑翔機(jī)的迎流截面發(fā)生復(fù)雜變化,其受力和力矩曲線變化規(guī)律復(fù)雜,如圖19、圖20所示。方位角在30°和150°附近,阻力最大,在150°附近升力最大。同時,因滑翔機(jī)外形在流場速度方向左右不對稱,所以水平面內(nèi)有相互垂直的兩個作用力,其產(chǎn)生的力矩可被分解為使滑翔機(jī)前后俯仰翻轉(zhuǎn)和左右側(cè)翻轉(zhuǎn)的兩個力矩,較大的力矩易導(dǎo)致側(cè)翻?？梢钥闯?在155°附近出現(xiàn)了最大力矩。

圖20 流體對駐留平臺的力矩與方位角的變化關(guān)系

方位角為150°～155°時,為保持滑翔機(jī)穩(wěn)定,不發(fā)生滑移,根據(jù)式(1)得ΔG不小于約81.4 N。

式(4)中M0和ML是關(guān)于方位角φ的函數(shù),應(yīng)根據(jù)方位角φ修正選取。當(dāng)φ在0°～37°和135°～180°范圍內(nèi)發(fā)生前后俯仰翻轉(zhuǎn)時,M0和ML應(yīng)按虛線數(shù)據(jù)選取;當(dāng)φ在37°～135°內(nèi)發(fā)生左右側(cè)翻時,M0和ML應(yīng)按實(shí)線數(shù)據(jù)選取。可見,為保證不發(fā)生翻轉(zhuǎn)失穩(wěn),根據(jù)式(4)得ΔG不小于81.8 N。

綜合分析可知,方位角在150°～155°的范圍內(nèi),駐留穩(wěn)定性最差,實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)加以考慮。

5 結(jié) 論

本文對水下滑翔機(jī)的海底定點(diǎn)駐留進(jìn)行了數(shù)值仿真研究,推導(dǎo)了平臺失穩(wěn)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型,完成了駐留狀態(tài)受力和力矩特性的研究,分析了不同工況條件下受力特性和穩(wěn)定性,由此得到如下結(jié)論。

(1)洋流流速對滑翔機(jī)穩(wěn)定駐留影響較大,流體對駐留系統(tǒng)的作用力和力矩與速度的平方成正比。

(2)駐留平臺受到壁面效應(yīng)的影響,離海底越近,流體對滑翔機(jī)豎直方向的作用力越大,有利于將滑翔機(jī)壓緊在海床上。但是,離海底距離過近會受海底泥沙、植被等影響,不利于起錨航行。當(dāng)距海底超過0.3 m時,壁面效應(yīng)的影響減小。

(3)當(dāng)海底不平坦、駐留平臺出現(xiàn)攻角時,流體對駐留系統(tǒng)的作用力和力矩均以較快速度增大,實(shí)際駐留時應(yīng)當(dāng)避免崎嶇復(fù)雜的海底地形。駐留時存在方位角,迎流狀況不同,在150°～155°范圍內(nèi)流體擾動最大,所以實(shí)際駐留時應(yīng)避免此迎流角度。

本文研究可為水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定駐留提供一種可供參考的數(shù)值模擬方法和理論依據(jù),為開展水下滑翔機(jī)的駐留實(shí)驗(yàn)等提供有意義的參考。

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(編輯 苗凌)

Stability Simulation for Underwater Glider Parking on Seabed

ZHANG Baoshou,SONG Baowei,MAO Zhaoyong,JIANG Jun

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To investigate the stability parking of an underwater glider, a numerical simulation is carried out. Two types of instability states of the underwater glider are defined, namely, “when the fluid drag exceeds the friction between the hydraulic support and the seabed, sideslip occurs” and “when the fluid torque relatively to the fulcrum exceeds the restoring torque from net gravity, side roll occurs”. The mathematical models of the instability state are established. Considering the coupling of the underwater glider between flow field and seabed, the numerical simulation is carried out with ANSYS-CFX. Under the conditions of different flow velocities (0-2 m/s), distances (0.15-0.5 m) and attitude angles, the curves of the fluid force and torque are completed. It reveals that when the distance between the buoyant and seabed is smaller than 0.3 m, wall effect is obvious, which is helpful in the stability of the glider, and attack angle of the glider greatly reduces the stability of the whole system; when azimuth angle is at 150°-155°, the disturbance of fluid is most obvious. The results can be used for practical design and parking experiment for a new underwater glider.

underwater glider; stability parking; numerical simulation

2016-03-10。 作者簡介:張寶收(1991—),男,博士生;宋保維(通信作者),男,教授。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179159)。

時間:2016-09-08

10.7652/xjtuxb201611008

TP242.3

A

0253-987X(2016)11-0049-07

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