水下滑翔機海底駐留流體動力及穩定性仿真

張寶收,宋保維,毛昭勇,姜軍

(西北工業大學航海學院,710072,西安)

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水下滑翔機海底駐留流體動力及穩定性仿真

張寶收,宋保維,毛昭勇,姜軍

(西北工業大學航海學院,710072,西安)

為了研究水下滑翔機的穩定駐留問題進行了數值仿真,包括定義滑翔機的2種失穩狀態,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生的滑移,以及流體對駐留平臺的翻轉力矩大于負浮力所能提供的最大約束力矩時發生的翻轉,建立臨界失穩的數學模型?？紤]滑翔機與流場和海床的復合影響,運用Ansys CFX軟件完成了數值仿真,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。研究結果表明:浮心到海底距離小于0.3 m時壁面效應明顯,有利于穩定駐留;滑翔機駐留攻角將極大影響駐留平臺的穩定性;方位角在150°～155°時流體擾動最大。該結果可為滑翔機的設計定型和實際駐留研究提供參考。

水下滑翔機;穩定駐留;數值仿真

水下滑翔機(Glider)是一種新型無人水下航行器,其利用質心和浮力調節機構產生滑翔驅動力,相比細長回轉體型航行器,續航時間長、穩定性高。此滑翔機具有翼身融合外觀,能更好地利用流體升力,實現大滑翔比運動[1]。

當航行器需要定點探測某一固定海域或定點潛伏時,需要具有穩定的駐留能力。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外的熱點。對于錨泊型駐留平臺,田文龍等進行了纜繩系泊發電的仿真研究[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學模型[3-4]。Mavrakos等完成了理想鏈條深水動力學建模[5]。水下航行器的錨泊駐留方式結構簡單,但對于需要保持穩定姿態的航行器,此種駐留方式約束不足。

王曉鳴等系統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動過程進行了數學建模[7]。朱信堯等對坐底型水下航行器的流體動力特性和穩定性進行了仿真研究[8]。宋保維等對無人水下航行器(UUV)海底駐留運動和關鍵技術進行了仿真和實驗[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(簡稱水下滑翔機)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,在保持滑翔機自身穩定的基礎上遠離海底因素的干擾,保證更好地完成定點潛伏探測、偵查反蛙人等相關任務。此駐留方式受力特性和穩定性的相關研究,可為后續實驗設計等提供有意義的參考。

圖1 水下滑翔機海底駐留

1 駐留狀態的數學模型

1.1 駐留失穩的定義

水下滑翔機駐留平臺的穩定性是指受到流體擾動后,不發生位置和姿態的變化。駐留平臺失穩形式主要有兩種: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生的滑移,如圖2a所示;流體對駐留平臺的翻轉力矩大于負浮力所能提供的最大約束力矩時發生的翻轉,如圖2b所示。

(a)滑移

(b)翻轉圖2 水下滑翔機駐留時兩種失穩形式

1.2 駐留失穩的數學建模

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

(1)滑移。液壓支架與海底摩擦系數為k0,駐留平臺重力為G、浮力為N,臨界失穩狀態的數學模型為

Fx+FLx-k0(ΔG-Fy-FLy)≥0

(1)

式中:Fx為流體對滑翔機水平方向的作用力;Fy為流體對滑翔機垂直方向的作用力;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浮力。

根據仿真實驗,作用力系數Cx[11]是關于攻角變化的經驗參考值,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,即滑翔機在運動方向的投影面積;v∞為來流速度。

(2)翻轉。當駐留平臺相對于后支點PB受到的流體力矩超過負浮力對PB點的力矩時發生側翻,此時的臨界狀態為前支點PA受到的海底支撐力為0。該臨界失穩的數學模型為

(Fy+FLy-ΔG)L1≥0

(4)

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

前、后俯仰側翻如圖3a所示,若來流方向為側向,則翻轉繞側面支點進行,如圖3b所示。

(a)側視圖

(b)正視圖圖3 水下滑翔機駐留受力特性

2 數值計算方法

2.1 流體計算控制方程

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。

2.2 邊界條件

通過建立流場邊界構成計算域,這樣將外部繞流問題轉變為內流問題。駐留平臺流場的計算域如圖4所示,其邊界條件設定如下。

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

(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:設定為自由滑移壁面。

(4)下壁面:考慮近壁面效應,選用無滑移壁面。

(5)液壓支架和滑翔機:無滑移壁面。

圖4 流場計算域

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

3 數值仿真計算

3.1 三維模型與網格劃分

滑翔機整體為扁平三角形,縱平面和水平面對稱[1],主要參數如表1所示。為保持滑翔機較高的靈活性,設計時不會存有較大的剩余浮力。滑翔機駐留采取4根關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k0來自實驗數據,約為0.8,即為正常無沉降條件下液壓桿(鋼材)與泥沙發生相對滑動時的最大摩擦系數。

表1 水下滑翔機主要參數

水下滑翔機駐留平臺的外形結構復雜,為保證網格更好地貼合滑翔機表面,本文采用加密細化的非結構網格,并以Ansys ICEM軟件為工具進行網格劃分[13],結果如圖5所示。

(a)流場整體網格 (b)滑翔機頭部網格圖5 駐留狀態整體網格及局部表面細節網格

3.2 駐留狀態的計算工況

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

表2 駐留狀態的計算工況

3.3 求解結果

對速度為1 m/s、浮心到海底距離為0.4 m、攻角為0°的數值仿真結果經后處理,得到的壓力分布云圖、流線圖如圖6、圖7所示?？梢钥闯?在滑翔機迎流前端和液壓支架迎流面均出現了一條高壓帶。

圖6 滑翔機表面壓力分布云圖

圖7 滑翔機表面流線發展圖

駐留平臺縱平面內的壓力分布云圖和流線圖如圖8、圖9所示。可以看出:滑翔機前端流場出現高壓區域,流速減小,流場未出現明顯分離;滑翔機后端壓力明顯小于前端,前后壓差產生了流體阻力。

圖8 縱平面內壓力云圖

圖9 縱平面內流線圖

駐留平臺側平面內壓力分布云圖和流線圖如圖10、圖11所示?？梢钥吹?滑翔機正前端出現低速高壓流場,與縱平面內流場相似。

圖10 側平面內壓力云圖 圖11 側平面內流線圖

4 結果處理與分析

4.1 流速對駐留的影響

(a)Fx與速度的關系

(b)Fy與速度的關系圖12 流體對駐留平臺的作用力與速度的變化關系

圖13 流體對駐留平臺的力矩與速度的變化關系

在平坦海底條件下,選定滑翔機浮心到海底距離為0.3 m,由此分析流速對駐留狀態的影響。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,會導致駐留系統對海底的壓力減小,從而摩擦力減小。

為防止滑移失穩,需要調整負浮力,在最大速度條件下,根據式(1)得ΔG不小于137 N。為防止翻轉失穩,根據式(4)得ΔG不小于98.5 N。可見,滑移失穩相比翻轉更容易發生。

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系

圖15 流體對駐留平臺的力矩與到海底距離的變化關系

取流場v=1 m/s來分析滑翔機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,近壁面效應越大,滑翔機與海底壁面之間的流速越大、壓強減小。流體對滑翔機豎直向下的作用力增大,將駐留平臺壓向海底。當離海底壁面距離超過0.3 m時,壁面效應減小,受海底壁面干擾流體存在向上的速度,滑翔機受到的升力較小。隨著浮心到海底距離的增大,支點的力矩增大,駐留系統越容易傾覆。

為保持滑翔機穩定,不發生滑移,根據式(1)得ΔG不小于60.75 N。為保證不發生翻轉失穩,根據式(4)得ΔG不小于47.48 N。

4.3 滑翔機攻角對駐留的影響

下面分析滑翔機攻角在-12°～+12°范圍內對駐留的影響。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,滑翔機受到的阻力先減小再增大,且關于零攻角對稱。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,當升力和力矩為負值時,滑翔機壓緊在海床上。水下滑翔機駐留在不平坦的海床時受到的外力擾動較大,需要提供較大的負浮力,以克制失穩發生。

(a)Fx

(b)Fy圖16 流體對駐留平臺的作用力與攻角的變化關系

圖17 流體對駐留平臺的力矩與攻角的變化關系

根據式(1),在攻角為+12°時最易發生滑移,為保證不發生滑移,最小負浮力ΔG應不小于451 N。根據式(4),在攻角為+12°時最易發生翻轉,為不產生失穩,最小負浮力ΔG應不小于546 N。

4.4 滑翔機駐留方位角對駐留的影響

滑翔機駐留時,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,滑翔機的迎流截面發生復雜變化,其受力和力矩曲線變化規律復雜,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,因滑翔機外形在流場速度方向左右不對稱,所以水平面內有相互垂直的兩個作用力,其產生的力矩可被分解為使滑翔機前后俯仰翻轉和左右側翻轉的兩個力矩,較大的力矩易導致側翻。可以看出,在155°附近出現了最大力矩。

圖20 流體對駐留平臺的力矩與方位角的變化關系

方位角為150°～155°時,為保持滑翔機穩定,不發生滑移,根據式(1)得ΔG不小于約81.4 N。

式(4)中M0和ML是關于方位角φ的函數,應根據方位角φ修正選取。當φ在0°～37°和135°～180°范圍內發生前后俯仰翻轉時,M0和ML應按虛線數據選取;當φ在37°～135°內發生左右側翻時,M0和ML應按實線數據選取?？梢?為保證不發生翻轉失穩,根據式(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,駐留穩定性最差,實際應用時應加以考慮。

5 結 論

本文對水下滑翔機的海底定點駐留進行了數值仿真研究,推導了平臺失穩狀態的數學模型,完成了駐留狀態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定性,由此得到如下結論。

(1)洋流流速對滑翔機穩定駐留影響較大,流體對駐留系統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的影響,離海底越近,流體對滑翔機豎直方向的作用力越大,有利于將滑翔機壓緊在海床上。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。當距海底超過0.3 m時,壁面效應的影響減小。

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

本文研究可為水下滑翔機實現穩定駐留提供一種可供參考的數值模擬方法和理論依據,為開展水下滑翔機的駐留實驗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。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51179159)。

時間:2016-09-08

10.7652/xjtuxb201611008

TP242.3

A

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

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160908.1104.010.html