波浪滑翔機的水動力性能分析

張 禹，薄玉清，劉慧芳

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

波浪滑翔機的水動力性能分析

張 禹，薄玉清，劉慧芳

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

波浪滑翔機是一種新型的無人觀測平臺，能在不同海況下對海洋環境進行持續觀測。介紹了其總體結構和運動機理，它是通過單純的機械結構將波浪能轉化為波浪滑翔機的前進動力，從而解決了常規滑翔機需要自帶能源的弊端。基于三維勢流理論和波浪的繞射輻射理論，再結合水動力分析軟件AQWA, 在頻域內的規則波作用下，分析在不同方向下的水面浮體的動力響應，得到運動響應幅值算子（RAOs）。還分析規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系。實驗結果為以后的研究提供了理論數據參照。

波浪滑翔機；雙體結構；水動力；運動響應

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，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，因此海洋的開發利用就成為一個重要話題[1]。緊接著就出現了各種各樣的海洋觀測和開發設備，但是這些設備的動力系統一般采用的是燃油或電池，需要能源的補充，因此續航能力非常有限，無法進行長時間的監測，而且容易造成海洋環境污染[2]。要從根本上解決這一問題，就必須改進它的驅動方式或者采用新的能源供應。

波浪滑翔機的出現就很好的解決了這一問題，作為一種新型的無人觀測設備，它是利用波浪能進行驅動，幾乎不需要提供額外的能量，實現了強的續航能力，而且沒有廢氣和廢物的排放，對海洋環境不會造成污染[3,4]。在其上搭載有太陽能電池板，為各種測量儀器進行能源補充，因此可實現長時間﹑大范圍的自主航行[5,6]。波浪滑翔機搭載的多種傳感器，可以獲取各種海洋參數，并且將數據及時的傳遞到岸站上，實現對各個區域的海洋環境的監測。

1 波浪滑翔機

1.1 總體結構

波浪滑翔機是由水面浮體、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﹑傳感器系統以及可充電電池等。水下滑翔體則是使用純機械的方式，將波浪能轉化為前行的動力，其主要由可轉動的翼板﹑翼板支撐框架等組成。圖1為波浪滑翔機的三維模型：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 波浪滑翔機三維模型

1.2 推進原理

波浪滑翔機是利用波浪能推進，推進系統完全由機械結構組成。當波浪滑翔機沿著波面爬升時，水面浮體上浮并通過繩纜拉動水下滑翔向上運動，此時水下滑翔體的翼板在水動力作用下向后下方轉動，從而產生了水平向前的推力，帶動水面浮體向前運動。當波浪滑翔機沿著波谷下滑時，水面浮體下沉，水下滑翔體則在重力作用下產生向下運動，此時水下滑翔體的翼板向后上方傾斜，再一次產生向前的推力，將下降運動轉換成向前運動。由此可見，水下滑翔體在上下運動過程中，翼板受到的水平分力總是沿著其前進的方向。在該動力的作用下，而且波浪波峰和波谷不斷重復，波浪滑翔機就可持續向前運動。

由推進原理可知，產生水平驅動力的是轉動了一定角度的翼板，下面對這一過程中的翼板進行受力分析。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：

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，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，沿整個濕表面積分得到一階波浪力：

其中：Fj為第j個自由度的一階波浪力；nj為第j個自由度的法向。

AQWA在進行計算時，將系統受到的波浪力F分為2部分：入射力和繞射力，并且兩個力都是簡諧的。所以：

入射力為：

繞射力為：

AQWA通過求解以下運動方程，計算得到水面浮體在規則波作用下的響應，即RAOs。

其中：Ms為結構質量矩陣；Ma為水動力附加質量矩陣；C為系統線性阻尼矩陣；Ks為系統總剛度矩陣；F為系統所受的波浪力（單位波高）；X為響應幅值算子（RAOs）；ω為入射規則波頻率。

3 仿真結果

3.1 水面浮體性能分析

波浪作用下船體的運動響應可由響應幅值算子（RAO）來描述，它是波浪的波幅到船體位置參數的傳遞函數，其表達式為：

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

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個波浪方向下的縱蕩和橫蕩都隨頻率的增大而減小，當頻率達到4rad/s時，都下降到0。入射波方向為90°時，縱蕩不隨頻率而變化，均為0，而此時橫蕩則達到最大值；入射波方向趨近于0°時，縱蕩逐漸增大，橫蕩減小。從圖3(c)中可以看出，當入射波方向為90°、頻率在2rad/s附近時，垂蕩達到最大值。入射波方向趨近于0°時，垂蕩在1rad/ s～2rad/s區間內變化較明顯，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兩次極大值。在1rad/s和2rad/s附近處兩次達到最大值，頻率達到4rad/s時，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附近達到峰值后逐漸減小，到4rad/s附近均下降到0。當入射波方向為0°時，艏搖幾乎不隨頻率而變化，均趨于0。

3.2 波浪滑翔機運動仿真分析

水下滑翔體所產生推力的大小是衡量波浪滑翔機水動力性能好壞的重要參數，而航速的大小則是評價其性能好壞的最直觀的參數，在不同海況下水下滑翔體產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則波條件下水下滑翔體所產生的推力以及整體航速的變化趨勢。

圖5 時間-推力

圖6 時間-速度

圖5顯示了在不同波幅的規則波下水下滑翔體所產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間為同一個方向，可一直驅動其向前運動。而且這個力是以正弦規律在變化，也就是波浪滑翔機從波谷向波峰運動時，推力先由零加速到最大，再減速到零。當波幅逐漸增大時水下滑翔體所受推力的最大值逐漸增大，但此時波浪滑翔機在波浪中航行的阻力也會相應增大。

圖6為在不同波幅的規則波下，波浪滑翔機平均速度的變化趨勢。由圖可知，波浪滑翔機的速度為同一方向，可以實現持續穩定航行，波幅的不同會導致波浪滑翔機的航行速度有所區別，分析可知，隨著波幅的增大，波浪滑翔機的最大速度有所提高。由于阻力也相應的增大，因此波浪幅值越大，可能會導致航速反而下降。

4 結束語

本文以波浪滑翔機為模型，應用AQWA流體力學計算軟件對其進行仿真分析，研究了波浪滑翔機的水動力性能。基于頻域方法，對水面浮體在不同波浪方向下的運動響應進行模擬，得到其運動曲線。接著計算了在不同波幅條件下，波浪滑翔機所受推力和整體航速，規則波波幅對水下滑翔體推力有較大的影響，在確保波浪滑翔機安全的前提下，波高越大的環境對推力的產生越有利，即高海況環境下水下滑翔體產生推力更大。但此時波浪滑翔機在波浪中航行的阻力也會增大，因此可能會導致航速反而會下降。這樣就為后續的進一步研究提供了理論數據。

[1] 徐春鶯,陳家旺,鄭炳煥.波浪驅動的水面波力滑翔機研究現狀及應用[J].海洋技術學報.2014,33(2).

[2] 李小濤,王理,吳小濤,等.波浪滑翔器原理和總體設計[J].四川兵工學報,2013,34(12),128-131.

[3] Frolov S,J. Bellingham, W.Anderson, et al. Wave Glider—A platform for persistent monitoring of algal blooms[A].IEEE OCEANS[C].2011:1-5.

[4] Manley J, S Willcox.The wave glider: A persistent platform for ocean science[A].IEEE-Sydney OCEANS[C].2010:1-5.

[5] 田寶強,俞建成,張艾群,等.波浪驅動無人水面機器人運動效率分析[J].機器人,2014,01.36(1),43-49.

[6] 戴源.波浪能驅動的機動浮標的動態分析與設計[D].中國海洋大學,2014.

[7] 賈欣樂,楊鹽生.船舶運動數學模型[M].大連:大連海事大學出版,1999.

[8] 李殿璞.船舶運動與建模[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,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

國家自然科學基金（51305277）；沈陽市科技創新專項資金-重點實驗室建設專項（F13-297-1-00）

張禹（1970 -），男，遼寧沈陽人，教授，博士，研究方向為機器人技術。