波浪滑翔機(jī)的水動(dòng)力性能分析

張 禹，薄玉清，劉慧芳

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

波浪滑翔機(jī)的水動(dòng)力性能分析

張 禹，薄玉清，劉慧芳

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

波浪滑翔機(jī)是一種新型的無人觀測平臺，能在不同海況下對海洋環(huán)境進(jìn)行持續(xù)觀測。介紹了其總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，它是通過單純的機(jī)械結(jié)構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)化為波浪滑翔機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力，從而解決了常規(guī)滑翔機(jī)需要自帶能源的弊端?；谌S勢流理論和波浪的繞射輻射理論，再結(jié)合水動(dòng)力分析軟件AQWA, 在頻域內(nèi)的規(guī)則波作用下，分析在不同方向下的水面浮體的動(dòng)力響應(yīng)，得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子（RAOs）。還分析規(guī)則波波幅對水下滑翔體推力以及整體航速的影響，得到推力與航速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為以后的研究提供了理論數(shù)據(jù)參照。

波浪滑翔機(jī)；雙體結(jié)構(gòu)；水動(dòng)力；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，陸地資源的逐漸枯竭，人們逐漸的就把目光投向了資源豐富的海洋，因此海洋的開發(fā)利用就成為一個(gè)重要話題[1]。緊接著就出現(xiàn)了各種各樣的海洋觀測和開發(fā)設(shè)備，但是這些設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)一般采用的是燃油或電池，需要能源的補(bǔ)充，因此續(xù)航能力非常有限，無法進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，而且容易造成海洋環(huán)境污染[2]。要從根本上解決這一問題，就必須改進(jìn)它的驅(qū)動(dòng)方式或者采用新的能源供應(yīng)。

波浪滑翔機(jī)的出現(xiàn)就很好的解決了這一問題，作為一種新型的無人觀測設(shè)備，它是利用波浪能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，幾乎不需要提供額外的能量，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的續(xù)航能力，而且沒有廢氣和廢物的排放，對海洋環(huán)境不會造成污染[3,4]。在其上搭載有太陽能電池板，為各種測量儀器進(jìn)行能源補(bǔ)充，因此可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間﹑大范圍的自主航行[5,6]。波浪滑翔機(jī)搭載的多種傳感器，可以獲取各種海洋參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)及時(shí)的傳遞到岸站上，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)區(qū)域的海洋環(huán)境的監(jiān)測。

1 波浪滑翔機(jī)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

波浪滑翔機(jī)是由水面浮體、水下滑翔體和繩纜三大部分組成。水面浮體上主要載有太陽能電池板﹑控制系統(tǒng)﹑傳感器系統(tǒng)以及可充電電池等。水下滑翔體則是使用純機(jī)械的方式，將波浪能轉(zhuǎn)化為前行的動(dòng)力，其主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的翼板﹑翼板支撐框架等組成。圖1為波浪滑翔機(jī)的三維模型：水面浮體長為2米、寬為0.6米、深為0.2米。水下滑翔體長為1.8米、水平翼展為1.18米、高度為0.4米。

圖1 波浪滑翔機(jī)三維模型

1.2 推進(jìn)原理

波浪滑翔機(jī)是利用波浪能推進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)完全由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)波浪滑翔機(jī)沿著波面爬升時(shí)，水面浮體上浮并通過繩纜拉動(dòng)水下滑翔向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水下滑翔體的翼板在水動(dòng)力作用下向后下方轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了水平向前的推力，帶動(dòng)水面浮體向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪滑翔機(jī)沿著波谷下滑時(shí)，水面浮體下沉，水下滑翔體則在重力作用下產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水下滑翔體的翼板向后上方傾斜，再一次產(chǎn)生向前的推力，將下降運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成向前運(yùn)動(dòng)。由此可見，水下滑翔體在上下運(yùn)動(dòng)過程中，翼板受到的水平分力總是沿著其前進(jìn)的方向。在該動(dòng)力的作用下，而且波浪波峰和波谷不斷重復(fù)，波浪滑翔機(jī)就可持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。

由推進(jìn)原理可知，產(chǎn)生水平驅(qū)動(dòng)力的是轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度的翼板，下面對這一過程中的翼板進(jìn)行受力分析。圖2為翼板在上升期和下降期的受力情況。

圖2 上升和下降

2 理論基礎(chǔ)：

對于不可壓縮、無粘性、無旋流的理想流體，速度勢在流場域內(nèi)滿足拉普拉斯方程[7]：

由方程V=▽φ解出速度勢φ，得到速度的分布。然后再根據(jù)拉格朗日方程：

求得浮體表面的壓力分布。一階波浪力的速度勢為：

其中：ω為規(guī)則波頻率；φI為入射波速度勢；φd為繞射波速度勢；φj為六自由度方向的速度勢（j=1，2，3，4，5，6）。

入射波的速度勢為：

其中：k為波數(shù)，由ω2=gkth（kd）求得；d為水深；ζ為入射波幅。

解得到一階波浪力速度勢后，由伯努利方程[8]求得水壓力：

然后，沿整個(gè)濕表面積分得到一階波浪力：

其中：Fj為第j個(gè)自由度的一階波浪力；nj為第j個(gè)自由度的法向。

AQWA在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將系統(tǒng)受到的波浪力F分為2部分：入射力和繞射力，并且兩個(gè)力都是簡諧的。所以：

入射力為：

繞射力為：

AQWA通過求解以下運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算得到水面浮體在規(guī)則波作用下的響應(yīng)，即RAOs。

其中：Ms為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；Ma為水動(dòng)力附加質(zhì)量矩陣；C為系統(tǒng)線性阻尼矩陣；Ks為系統(tǒng)總剛度矩陣；F為系統(tǒng)所受的波浪力（單位波高）；X為響應(yīng)幅值算子（RAOs）；ω為入射規(guī)則波頻率。

3 仿真結(jié)果

3.1 水面浮體性能分析

波浪作用下船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可由響應(yīng)幅值算子（RAO）來描述，它是波浪的波幅到船體位置參數(shù)的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式為：

其中：A為入射波幅值；X（ω,β）為傳遞函數(shù)RAOs，它與浮體的位置、幾何形狀和入射波方向有關(guān)。

圖3 水面浮體在不同方向上的縱蕩、橫蕩、垂蕩RAOs

由圖3(a)和圖3(b)中可以看出，在4個(gè)波浪方向下的縱蕩和橫蕩都隨頻率的增大而減小，當(dāng)頻率達(dá)到4rad/s時(shí)，都下降到0。入射波方向?yàn)?0°時(shí)，縱蕩不隨頻率而變化，均為0，而此時(shí)橫蕩則達(dá)到最大值；入射波方向趨近于0°時(shí)，縱蕩逐漸增大，橫蕩減小。從圖3(c)中可以看出，當(dāng)入射波方向?yàn)?0°、頻率在2rad/s附近時(shí)，垂蕩達(dá)到最大值。入射波方向趨近于0°時(shí)，垂蕩在1rad/ s～2rad/s區(qū)間內(nèi)變化較明顯，從1m下降到0.1m左右。

圖4 水面浮體在不同方向上的橫搖、縱搖、艏搖RAOs

從圖4(a)中可以看出橫搖的曲線類似于開口向下的雙拋物曲線，即隨著頻率的增大出現(xiàn)兩次極大值。在1rad/s和2rad/s附近處兩次達(dá)到最大值，頻率達(dá)到4rad/s時(shí)，橫搖下降到0。由圖4(b)、4(c)可知縱搖和艏搖則是隨著頻率的增大先增大后減小，在1rad/s附近達(dá)到峰值后逐漸減小，到4rad/s附近均下降到0。當(dāng)入射波方向?yàn)?°時(shí)，艏搖幾乎不隨頻率而變化，均趨于0。

3.2 波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析

水下滑翔體所產(chǎn)生推力的大小是衡量波浪滑翔機(jī)水動(dòng)力性能好壞的重要參數(shù)，而航速的大小則是評價(jià)其性能好壞的最直觀的參數(shù)，在不同海況下水下滑翔體產(chǎn)生推力的大小將直接影響航速的高低，從而影響其工作效率和其他性能，因此下面就分析了在不同波幅的規(guī)則波條件下水下滑翔體所產(chǎn)生的推力以及整體航速的變化趨勢。

圖5 時(shí)間-推力

圖6 時(shí)間-速度

圖5顯示了在不同波幅的規(guī)則波下水下滑翔體所產(chǎn)生的推力的變化趨勢。由圖可知不同波幅下的水下滑翔體所受到推力大部分時(shí)間為同一個(gè)方向，可一直驅(qū)動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)。而且這個(gè)力是以正弦規(guī)律在變化，也就是波浪滑翔機(jī)從波谷向波峰運(yùn)動(dòng)時(shí)，推力先由零加速到最大，再減速到零。當(dāng)波幅逐漸增大時(shí)水下滑翔體所受推力的最大值逐漸增大，但此時(shí)波浪滑翔機(jī)在波浪中航行的阻力也會相應(yīng)增大。

圖6為在不同波幅的規(guī)則波下，波浪滑翔機(jī)平均速度的變化趨勢。由圖可知，波浪滑翔機(jī)的速度為同一方向，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定航行，波幅的不同會導(dǎo)致波浪滑翔機(jī)的航行速度有所區(qū)別，分析可知，隨著波幅的增大，波浪滑翔機(jī)的最大速度有所提高。由于阻力也相應(yīng)的增大，因此波浪幅值越大，可能會導(dǎo)致航速反而下降。

4 結(jié)束語

本文以波浪滑翔機(jī)為模型，應(yīng)用AQWA流體力學(xué)計(jì)算軟件對其進(jìn)行仿真分析，研究了波浪滑翔機(jī)的水動(dòng)力性能。基于頻域方法，對水面浮體在不同波浪方向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行模擬，得到其運(yùn)動(dòng)曲線。接著計(jì)算了在不同波幅條件下，波浪滑翔機(jī)所受推力和整體航速，規(guī)則波波幅對水下滑翔體推力有較大的影響，在確保波浪滑翔機(jī)安全的前提下，波高越大的環(huán)境對推力的產(chǎn)生越有利，即高海況環(huán)境下水下滑翔體產(chǎn)生推力更大。但此時(shí)波浪滑翔機(jī)在波浪中航行的阻力也會增大，因此可能會導(dǎo)致航速反而會下降。這樣就為后續(xù)的進(jìn)一步研究提供了理論數(shù)據(jù)。

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[8] 李殿璞.船舶運(yùn)動(dòng)與建模[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005.

Analysis on hydrodynamic performance of the wave glider

ZHANG Yu, BO Yu-qing, LIU Hui-fang

TB126；U644

：A

1009-0134(2017)03-0123-04

2016-11-17

國家自然科學(xué)基金（51305277）；沈陽市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金-重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)專項(xiàng)（F13-297-1-00）

張禹（1970 -），男，遼寧沈陽人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)。