張 軍, 白亞強, 翟樹成, 張國平, 徐良浩
(中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室, 江蘇 無錫 214082)
長鰭波動推進流向渦結構PIV試驗研究
張 軍*, 白亞強, 翟樹成, 張國平, 徐良浩
(中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室, 江蘇 無錫 214082)
魚類的高效、低噪聲、高機動游動為水下航行體推進技術研究提供了很好的啟發(fā)與借鑒。尼羅河魔鬼魚依靠長背鰭波動推進,可以在主體基本不變形下巡游,還可以通過改變波動方向敏捷地倒退或前進。對于這種推進模式國內外已經開展了一些仿生推進水動力實驗研究,對流動渦結構也有一些數值計算研究,但對流動渦結構試驗研究開展很少,因而數值計算方法也缺乏充分的驗證。本文針對MPF(Median and/or Paired Fin,中央/對鰭)模式長鰭波動推進,采用相位同步PIV技術測量了系泊狀態(tài)下首、中、尾部及尾流不同相位橫截面流場,采用相位平均方法計算獲得平均速度場,進一步提取分析了流向渦渦結構特征及其隨相位的演變規(guī)律,為長鰭波動推進渦結構數值預報和水動力機理揭示提供了試驗依據與支撐。
仿生推進;波動鰭;PIV;渦結構;流向渦
魚類經過數百萬年的自然進化,獲得了對水中復雜環(huán)境的高度適應性。與傳統(tǒng)的推進方式相比,魚類的游動具有高效率、低噪聲、高機動性等諸多優(yōu)點,對改進現有的水下航行器推進系統(tǒng)具有重要的啟發(fā)與借鑒作用[1-3]。因此。仿生推進是目前推進技術研究頗為關注的一個方向。
目前國內外已有不少研究人員進行了波動鰭推進構型、水動力及推進機理方面的研究。2003年,美國西北大學的Maclver等人仿裸背鰻科魚“黑魔鬼”的長臀鰭扭波推進,設計出用于水下自主航行器的帶狀鰭推進器,并研制出電機驅動的仿生波動鰭原型系統(tǒng)[4]。新加坡南洋理工大學模仿黃貂魚的胸鰭結構和運動,于2005年研制出仿生波動鰭機械裝置,并構建了用一對側向波動鰭推進的仿黃貂魚水下機器人[5-6]。2008年,Shirgaonkar等采用浸沒邊界法數值求解了弱電刀魚扭波推進的水平、橫向和垂向3個方向的水動力[7]。2010年Rahman等開展了雙波動鰭周圍流動的數值計算,研究推力產生的機理[8-9]。研究表明,推力和推進效率主要依賴于長寬比和鰭角。2013年Rahman等通過自航試驗和準定常數值模擬方法,研究了仿墨魚水下機器魚雙鰭推進系統(tǒng)的制動性能。通過測量和計算的水動力參數來求解準定常運動方程,并與自航試驗結果進行了比較[10]。
國內不少學者開展了尾鰭、胸鰭擺動仿生推進技術的研究,包括數值計算與實驗研究,并取得了可喜進展[11-13],但開展長背鰭波動扭波推進技術研究的則較少。
尼羅河魔鬼魚(Gymnarchus Niloticus Fish, GNF)的游動特點主要有:推進效率較高,機動靈活,一般巡游時身體主體保持為直線,僅采用長背鰭扭波推進。大量觀測發(fā)現,GNF鰭條的擺動幅度通常在±60°~±90°,而且在通常的巡游狀態(tài),鰭條擺角都接近±90°,只有在控制懸?;蚍浅5退儆蝿訒r,鰭條擺角取較小的值(約±60°)。
王光明等開展了長背鰭波動推進的理論分析和試驗研究[14],鰭條最大擺幅為30°。2010年,浙江大學的劉芳芳等開展了仿墨魚側鰭波動推進的研究。其采用單根鰭條為驅動源,通過鰭條的擺動帶動鰭面運動,并將振動向后傳遞而在鰭面上形成推進波形。此外還通過粒子流態(tài)顯示,定性描述了尾鰭擺動與長鰭波動時流動結構的差異[15]。
2011年,海軍工程大學與中國船舶科學研究中心合作開展了長鰭波動推進的DPIV流場測量探索性試驗[16]。試驗捕捉到了長背鰭附近局部非定常三維流場和瞬時渦結構。在鰭首處觀察到了強抽吸現象,而鰭尾則表現為向后下方的射流。但由于沒有采用相位同步測量技術,所攝錄的流動粒子圖像是隨機的,難以進行流動結構特征及演化規(guī)律的深入分析。
本文以尼羅河魔鬼魚為仿生研究對象,針對MPF模式長鰭波動推進,采用相位同步PIV技術測量系泊狀態(tài)下首、中、尾部不同相位橫截面流場,采用相位平均方法計算獲得平均速度場,進一步提取分析流向渦渦結構及其隨相位的演變特征。
波動推進長鰭由柔性橡膠制成,鰭面總長度L=768mm,鰭面高度h=50m,鰭面波長λ/L=0.5。鰭面由25根沿軸向均勻分布的剛性鰭條主動驅動控制,鰭條間距為32mm。鰭條可在垂直于軸向的橫截面內由齒輪機構帶動做往復擺動(見圖1),最大擺幅為85°。本試驗在中國船舶科學研究中心大型分層流水池中進行,試驗水池長25m,寬3m,深1.5m,水池框架采用不銹鋼材料加工,池壁采用透明的鋼化玻璃制成。試驗時水池水深為900mm,試驗推進模型浸深為450mm,試驗模型通過長劍固定于拖車上。
本試驗PIV系統(tǒng)構成如下:雙腔脈沖激光器Quantel Twins Brilliant B,波長325nm、脈沖能量425mJ、脈沖頻率10Hz;互相關CCD相機TSI PowerViewPlus 4M,2048pixel×2048pixel;Nikon鏡頭,焦距200mm;同步控制器,TSI LaserPlus 6100,時間分辨率1ns;編碼器Rotary Encoder E80H30-1024-6-L-5,相位分辨率0.35°。
通過在電機軸上安裝編碼器獲得電機驅動軸的旋轉角度,進而通過傳動關系計算得到主動軸的旋轉角度,從而也就得到了波動鰭面的相位。本模型電機軸的轉動頻率與波動長鰭的擺動頻率之比為1∶3。
在試驗過程中,將編碼器獲取的電機驅動軸旋轉角度信號傳遞給同步控制器,由同步控制器依次發(fā)出信號給CCD相機、激光器,從而采集到設定相位下流場粒子圖像。本試驗中鰭面的最大擺角Φmax=85°,將其在一個周期內分為8等分,并確定出與之對應的電機軸旋轉角度。
設相位序號分別為1~8,所對應的電機軸旋轉角度分別為: 15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°和120°,則鰭面擺角分別為:1/2Φmax(順時針)、0(順時針)、-1/2Φmax(順時針)、-Φmax(順時針)、-1/2Φmax(逆時針)、0(逆時針)、1/2Φmax(逆時針)、Φmax(逆時針)。
流場測量的坐標系是以長鰭波動推進器的旋轉軸(長度方向)為x軸,鰭面的中矢面為xoy平面(即各鰭條恢復至0相位時所形成的平面),y軸垂直于x軸,z軸方向按右手法則確定,坐標系的原點o位于長鰭驅動軸的一端。
本文選取了4個不同軸向位置的橫截面(yoz平面)進行2D-PIV測量,每個截面均測量了8個相位。測量截面的位置選取如圖2所示,首部、中部、尾部和尾流橫截面位置分別為:x=96、384、672和866mm。
本試驗中激光器從水池底部打光,CCD相機從水池側面攝像(見圖3)。
本試驗采用TSI公司INSIGHT3G軟件對PIV圖像進行分析,診斷窗口為32pixel×32pixel,視場為210mm×210mm,空間分辨率為1.64mm。試驗中對于每個測量平面每個相位連續(xù)采集了100對粒子圖像,以便進行相位平均下的流場分析。
本試驗測量了系泊狀態(tài)下柔性長鰭波動推進模式的橫截面流場,扭波頻率f=2.0Hz。圖4為某一時刻拍攝到的鰭面首部橫截面流場數據,其中圖4(a)為含鰭面圖像的瞬時速度矢量圖,圖4(b)為瞬時速度云圖及其流線圖。由于鰭面的運動特點和實驗條件所限,無法獲取被鰭面及其陰影所覆蓋的流場區(qū)域數據,如圖4(b)中空白區(qū)域所示。圖4(c)為100次同相位瞬時速度場數據得到的橫截面內平均速度值云圖及橫截面流線圖,圖中的灰色粗實線表示此相位下鰭面的截線位置。與圖4(b)相比,由于平均處理后去除了數據中的瞬態(tài)隨機誤差,圖4(c)中流線更為光順。
圖5為鰭面首部截面(x=96mm)相位平均軸向速度場分布云圖及面內流線圖,及其隨相位的序列變化,灰色實線表示該時刻鰭面與該橫截面的交線。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
由圖5可以看出:
(1) 在鰭面波動周期內的任一時刻,在其首部橫截面上都可以觀察到流向渦的存在,且隨著鰭面的周期性擺動運動,流向渦會周期性地生成和脫落;
Fig.5Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinforepartcrosssection
(2) 當鰭面運動到最大擺角位置附近時,開始有新的渦結構產生。在1個周期內生成2個渦,一個是在左邊最大擺角,另一個是在右邊最大擺角。當鰭面擺動到中垂面附近時,已經發(fā)展的流向渦開始潰散;
(3) 在鰭面運動過程中,從橫截面內來看流體從周圍流向鰭面,并從鰭面梢部向外射出。
圖6為鰭面中部截面(x=384mm)相位平均軸向速度場分布云圖及面內流線圖,及其隨相位的序列變化,灰色實線表示該時刻鰭面與該橫截面的交線。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
Fig.6Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinmiddlecrosssection
可以觀察到,與鰭面首部橫截面相比,其流場具有相似的渦結構特征和演化規(guī)律,只不過在中部橫截面上同時存在更多的流向渦,從鰭面基線向梢部方向,渦的旋轉方向是交替變化的。流向渦的產生、發(fā)展和消散過程表現得更加清晰。另外還可以觀察到,在中部橫截面流場中高速射流條帶更加明顯,且射流主方向在鰭面中矢面左右擺動。
圖7為鰭面尾部截面(x=672mm)相位平均軸向速度場分布云圖及面內流線圖,及其隨相位的序列變化,灰色實線表示該時刻鰭面與該橫截面的交線。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
Fig.7Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinposteriorcrosssection
可以看到,其流場結構特征和演化規(guī)律與鰭面中部橫截面有一定的相似。不同的是在渦結構消散的過程中,在渦心位置會形成流場源點,表明該截面上的流體會隨著渦結構的潰散產生出一股軸向射流。
圖8為鰭面尾流中截面(x=866mm)相位平均軸向速度場分布云圖及面內流線圖,及其隨相位的序列變化。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
可以看到,該截面流動渦結構和演化規(guī)律與鰭面首部、中部、尾部橫截面已不一樣,尾流中橫截面上的流動結構相對比較穩(wěn)定,隨鰭面相位的變化不大,在鰭面下方的兩側會形成2個穩(wěn)定的大尺度流向渦結構,流體從鰭面梢部向外流出,在2個渦結構之間形成一股垂直向下的射流。
Fig.8Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinthewake
以尼羅河魔鬼魚為仿生研究對象,針對MPF模式長鰭波動推進,采用相位同步PIV技術測量了系泊狀態(tài)下首、中、尾部不同相位橫截面流場,利用100個同相位瞬時速度場進行相位平均計算獲得平均速度場,進一步分析了流向渦渦結構及其隨相位的演變特征。試驗表明:
(1) 隨著鰭面的周期性擺動,渦結構會周期性地生成和脫落; 在一個周期內會生成2個渦,分別在左、右最大擺角鰭面附近生成。同時,當鰭面擺動到中垂面附近時,已充分發(fā)展的流向渦開始消散;
(2) 中部與首部橫截面具有相似的流動結構特征和演化規(guī)律,只不過在中部橫截面上流向渦數目增加,從鰭面基線向梢部方向,流向渦的旋轉方向交替變化;尾部橫截面流場結構特征和演化規(guī)律與鰭面中部橫截面有一定相似性,不同的是在流向渦消散過程中,會伴隨產生一股軸向射流;與鰭面首部、中部、尾部橫截面不一樣,尾流中橫截面上的流場結構隨鰭面相位的變化不大。尾流中在鰭面下方的兩側形成2個穩(wěn)定的大尺度流向渦結構,左右基本對稱分布,旋向相反;
(3) 在首部鰭面運動過程中,在橫截面內流體從四周流向鰭面,并從鰭面梢部向外射出。在中部、尾部橫截面流場中射流特征更加明顯,且射流主方向在鰭面中矢面左右擺動。在尾流中橫截面上鰭面下方兩側的2個穩(wěn)定的大尺度渦結構之間,形成一股從鰭面梢部向外的垂直射流。
通過對長鰭波動推進流場橫截面相位同步的2D-PIV試驗與分析,對流向渦結構主要特征及其隨相位演變規(guī)律有了基本的認識,為長鰭波動推進水動力學機理分析打下基礎,也為該種推進方式流場渦結構數值計算方法的驗證提供了依據。
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PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins
Zhang Jun*, Bai Yaqiang, Zhai Shucheng, Zhang Guoping, Xu Lianghao
(National Key Lab on Ship Vibration and Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)
The Gymnarchus Niloticus Fish (GNF) with long undulating fins generally cruises with high efficiency and extra-ordinal maneuverability while keeping its body for straight line. The flow field around andulating fins are measured by phase-locked PIV in the stationary water. Four cross sections including front part, middle part, after-body and wake flow are measured, respectively. Eight equal spaced phases are measured at each cross section,and one hundred instantaneous velocity fields are phase-averaged analyzed to extract the characteristics of vortex structure at each phase. The results indicate in cross sections the streamline vortexes are periodically generated near the fin tip as the fin swings to nearby maximum angle, and shed from the tip of the fin surface, There are two streamwise vortexes generated during each period at the two side maximum angle. On the other hand, as fin swings to the near mid-sagittal plane in the cross section, the fully developed streamwise vortexes begin to decay, and finally disappear. Meanwhile a high speed jet is generated in the direction from the root to the tip of the fin. Comparing the flow structure in the forepart, middle part and posterior cross sections, it is obvious that the streamwise vortex structure and its evolution with phases are similar in these three sections. From the forepart to the posterior along the shaft axis, the flow structure becomes more and more complicated as waves spread downstream, the jet ejected outward from the fin tip becomes stronger, and its sphene of influence seems enlarged. But the flow structure in the wake is different from the above three cross sections, which is less changed with the wave phases. The two large streamwise vortexes are formed under the fin surface, and stably and symmetrically locate on two sides of the mid-sagittal plane with opposite rotation directions.
bionic propulsion; undulating fins;PIV;vortex structure;streamwise vortex
1672-9897(2017)06-0015-07
10.11729/syltlx20170017
2017-01-25;
2017-08-18
國家自然科學基金(51379193)
*通信作者 E-mail: zhangjuncssrc@163.com
ZhangJ,BaiYQ,ZhaiSC,etal.PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 15-21. 張 軍, 白亞強, 翟樹成, 等. 長鰭波動推進流向渦結構PIV試驗研究. 實驗流體力學, 2017, 31(6): 15-21.
O352
A
張軍(1967-),男,江蘇如東人,研究員。研究方向:仿生水動力學與流動控制。通信地址:無錫市濱湖區(qū)山水東路222號(214082)。E-mail: zhangjuncssrc@163.com
(編輯:張巧蕓)