波浪滑翔機彈性水翼性能模型試驗

周潤婕，王 鵬，李家煒，潘雨婷，張芳園，田新亮

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

波浪滑翔機是一種依靠波浪能驅動的新型水面無人航行器，由于其利用波浪能作為前進能量，可以實現無動力、長時間、長距離的航行[1-2]，彌補了現有的海洋監測設備在續航力上的不足。同時，其工作噪聲低，工作范圍在水面下20 m內，隱蔽性極好，不會對周圍環境造成過大影響，可用于環境監測等民用功能，并且具有巨大的軍事價值。波浪滑翔機對于復雜、惡劣的氣候抵抗能力很強，甚至一些情況下，海況越惡劣，波浪滑翔機動力越強勁[3],故其擁有廣泛使用前景。

波浪滑翔機最初于由Roger等于2005年研制。2009年，Liquid Robotics公司設計并研制出了新一代波浪滑翔機SV2，完成了多次海試任務，并投入軍用。Frolov等[4]利用波浪滑翔機對蒙特雷灣的海藻生物分布情況進行了長時間、長距離勘測。Daniel等[5]給出了波浪滑翔機設計的綜述，并給出了幾個不同型號的波浪滑翔機在海試試驗中的結果，同時，對波浪滑翔機在蒙特雷海灣中進行的實驗的流速等進行預估。Bingham等[6]測試了2臺波浪滑翔機，并從自噪聲調查中得出這種新平臺傳播的噪聲很小，因此波浪滑翔機是可用于被動監控的理想平臺。賈立娟等[7]對波浪滑翔機進行研究，分析其運動機理。丁乃蓬等[8]對波浪滑翔機水翼間距與水翼個數對波浪滑翔機的性能影響進行研究。張禹等[9]應用某勢流理論分析軟件對波浪滑翔機的運動進行模擬和仿真，發現波浪滑翔機在高海況下可以產生更大推力，但同時阻力也會相應增加。呂元博等[10]根據CFD仿真模擬得出，水翼的最佳逆時針限位角與海況無關，而順時針旋轉限位角隨具體海況的變化而變化。Wang等[11]采用牛頓-歐拉法建立了波浪滑翔機的4自由度數學模型，通過仿真模擬得出適當的纜繩長度及波浪滑翔機母船與水下滑翔機部分的重量比能夠提高波浪能利用率。

現階段，國內多家高校和科研機構都對波浪滑翔機進行了不同程度的研究，但總體來說，我國對于波浪滑翔機的創新還相對欠缺，研究規模不大[12]。

本文通過試驗驗證用于限定水翼下限位角的彈簧剛度與水下牽引機效率之間的關系，從而得出彈性水翼的最優彈簧剛度。

1 波浪滑翔機與其彈性水翼工作原理

波浪滑翔機前進原理為：波浪凸起過程中，水面母船隨之上浮并通過柔性纜繩拉拽水下牽引機產生上升運動，此時，水翼向下翻轉，表面流體產生一定速度，通過伯努利效應以及流體分子動量改變給予水翼向前的推動力。波浪凹落的過程中，水面母船隨之下沉，水下牽引機在自身重力作用下產生下潛運動，水翼向上翻轉，流體同樣給予水翼向前的推動力(見圖1)。

圖1 波浪滑翔機工作原理

由于水翼上升階段受到的向上的合力遠遠大于其下降階段所受的向下的合力，故水下牽引機主要在母船上浮時前進，并且水翼下翻速度遠遠大于上翻速度。若波浪滑翔機工作波高較大，則水翼下翻時，下限位角固定部件之間會產生較強的剛性碰撞，導致能量耗散以及部件疲勞損傷；若波浪滑翔機工作波高過小，水翼可能無法達到最大下限位角處，導致其無法正常上下翻動。若將水翼改進為彈性水翼，即上限位角固定，下限位角由彈簧約束，則工作波高較大時，能避免水翼與下限位角產生剛性碰撞，將此部分能量儲存在彈簧中，防止結構損傷；工作波高較小時，彈簧能給予水翼板一定的回復力，提供其前進的動力(見圖2)。

圖2 水翼相關角度定義示意圖

2 模型試驗

2.1 試驗準備

(1) 試驗設備。波浪滑翔機彈性水翼性能模型試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室小水槽中進行。水槽長20 m，寬1 m，水深可達1 m，可根據不同試驗需求調整水槽內水量以改變水深。

試驗使用一種用于研究波浪滑翔機運動性能的垂蕩激勵試驗拖車(見圖3)模擬水面母船對小車產生的拉力。該拖車包括拖車載體、垂蕩激勵控制設備。該設備可以通過伺服電機控制器控制與電動機相連的轉輪的的轉動幅度、周期等，轉輪上繞有鏈接水下牽引機的纜繩，轉輪通過纜繩實現對水下牽引機進行不同垂蕩運動的激勵，以模擬水上部分母船由于不同波浪作用而產生的對水下牽引機的垂向牽引力，并通過其在水槽上移動過一定距離所需的時間判斷波浪滑翔機水下牽引機部分的性能[13]。

圖3 水下牽引機牽引垂蕩激勵拖車在水槽中運動

水下牽引機部分主要包括骨架、水翼、尾舵，采用6對NACA水翼[14]，用3D打印方式制作，質量輕，同時可以保證翼型較精確且6對水翼形狀一致。水翼上限位角的大小通過一固定在牽引機機身的螺絲與一隨轉軸轉動的螺絲限制，下限位角通過一連與水翼邊緣與牽引機機身的彈簧進行彈性限制(見圖4、5)。

圖4 水翼角度限制方式示意圖

圖5 波浪滑翔機水下牽引機部分模型

根據模型尺寸，將彈簧長度選取范圍定為35～45 mm，彈簧半徑定為5 mm左右。此處試驗選擇3種彈簧，并通過改裝測量動摩擦因子的摩擦臺[15]，來完成彈簧勁度系數的測量。測量數據見表1，數據分析見圖6。

表1 勁度系數測量試驗數據表

圖6 各彈簧所受拉力—伸長量關系圖

(2) 環境模擬。模型試驗中忽略流體黏性的影響，保持兩者重力相似以及慣性力相似，即保持實體和模型之間的Froude數和Strouhal數相等，則有：

(1)

(2)

(3)

同理，式(2)可變形為:

(4)

根據我國海況，試驗中計劃模擬0.8、0.75、0.68及0.6 m波高，實際波浪周期約為9 s。根據式(3)、(4)并計算拖車搭載電動機傳動比，波浪的實際參數與對應的拖車電動機參數如表2所示。

表2 波浪實際參數與對應電機參數

2.2 試驗過程

本試驗采用控制變量法，在彈性水翼使用某一種彈簧時，測量在幾個不同模擬波高下拖車的運動速度。拖車的運動速度通過測量拖車運動一定距離(450 cm)的時間來確定。試驗數據如表3～5和圖7所示。由于水槽表面不平整，拖車運動速度變化較大，為方便觀測試驗現象、減小誤差，將其運動距離等分為3個區間，每個區間長度為150 cm。時間1、2、3分別為拖車經過第1、2、3個區間所需時間(時間為“-”代表拖車在此區間內動力不足無法前進)

表3 安裝彈簧1時拖車運動情況

表4 安裝彈簧2時拖車運動情況

表5 安裝彈簧3時拖車運動情況

圖7 水下牽引機彈性水翼安裝不同彈簧的效率示意圖

2.3 試驗結果與分析

通過分析試驗結果，使用相同剛度彈簧的情況下，電動機輸出振幅越大，拖車速度越快。這是由于隨著滑動拖車振幅增加，滑翔機垂向運動速度增加，水翼上下表面的液體流速相應增加，根據伯努利原理，水翼能產生更大推力；另一方面，振幅相同,即波浪條件相同的情況下，隨著波高的增加，安裝有較大剛度彈簧的水翼有著較高的推進效率。這是由于在較大的波浪條件下，剛度較大的彈簧能夠儲存較多能量，避免水翼上下運動過程中由于剛性碰撞而產生的能量損耗；另外還發現，在滑動拖車振幅較小時，即波高較小時，安裝有較大剛度彈簧的水翼無法給予拖車足夠的拉力，在某一段區間出現無法移動的情況，而裝有較小剛度彈簧的水翼卻可以帶動拖車移動。這是因為在波高較小時，彈簧剛度過大導致水翼上下運動過程中限位角太小，推進效率下降導致。因而在小波高情況下，剛度較小的彈簧能使水翼有較高推進效率。綜上所述，波浪滑翔機水翼彈簧剛度應該根據工作海域的海況決定，海況較惡劣的海域波浪滑翔機水翼可以選擇較大的彈簧剛度；反之，海況較溫和的海域波浪滑翔機水翼剛度不宜過大。

3 結 語

對水下牽引翼增加彈性限制可有效提高波浪能的利用率，從而提高水翼推進效率。本文通過模型試驗方法進行了波浪滑翔機彈簧水翼性能研究，通過試驗室自制的水槽滑動小車連接水下牽引機模擬在不同波高條件下彈性水翼的推進性能。試驗結果得出，波浪滑翔機水翼彈簧剛度應該根據工作海域的海況決定，海況較惡劣的海域波浪滑翔機水翼可以選擇較大的彈簧剛度，反之海況較溫和的海域波浪滑翔機水翼剛度不宜過大。本文試驗結果對設計在特定海況下的波浪滑翔機彈性水翼剛度提供了數據支撐。