基于介電彈性體的合成射流驅(qū)動器流場仿真

馬文濤, 湯 超, 李 博, 朱子才, 陳花玲

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基于介電彈性體的合成射流驅(qū)動器流場仿真

馬文濤#, 湯 超#, 李 博, 朱子才, 陳花玲

(1. 西安交通大學(xué) 陜西省智能機器人重點實驗室, 陜西 西安, 710049; 2. 西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院機器人與智能系統(tǒng)研究所, 陜西 西安, 710049)

低噪聲、低消耗、高推進(jìn)效率是新一代仿生水下推進(jìn)技術(shù)的主要研究方向?；谏锓律鷻C理, 文中提出了一種利用介電彈性體(DE)的電致變形驅(qū)動合成射流驅(qū)動器設(shè)計方法, 并對其在工作過程中的流場進(jìn)行了有限元仿真。仿真結(jié)果表明, 該合成射流驅(qū)動器產(chǎn)生的流體噴射具有合成射流的特征, 能夠形成一系列的渦環(huán), 射流在渦環(huán)的卷吸作用下保持了較好的方向性。文中研究結(jié)果在新一代仿生合成射流驅(qū)動領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

仿生水下推進(jìn)技術(shù); 介電彈性體; 合成射流; 有限元仿真

0 引言

水下機器人在海洋環(huán)境研究、海洋資源探測與開發(fā)等民用領(lǐng)域以及海洋軍事方面具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價值[1]。

水下機器人的推進(jìn)技術(shù)是決定機器人系統(tǒng)的核心, 如何實現(xiàn)有效的水下推進(jìn)一直是其研究的重點。以自然界生物為例, 烏賊依靠噴嘴產(chǎn)生噴射流和長鰭波動的復(fù)合推進(jìn)方式[2]。其水下運動具有噪聲低、高機動性、快速啟動等優(yōu)點。如果能將烏賊的運動特性運用于水下機器人上, 無疑可大大提高機器人的性能。然而, 國內(nèi)外學(xué)者對于水下機器人推進(jìn)技術(shù)的研究多集中在對魚類運動方式的仿生, 主要模仿魚類通過擺動鰭、尾鰭或身體進(jìn)行推進(jìn)的運動模式, 對于烏賊一類動物的射流推進(jìn)研究較少。烏賊是一種常見的海洋軟體動物, 全身除顎片和外套膜內(nèi)的烏賊骨以外均呈柔性。正因為其體型柔軟, 所以變形尺度大, 可以在極短的時間內(nèi)使體內(nèi)腔體的容積發(fā)生很大的變化, 從而通過噴嘴產(chǎn)生推進(jìn)效果極佳的合成射流。合成射流技術(shù)是一種新的流場主動控制技術(shù), 在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。由于傳統(tǒng)的合成射流主要通過剛性結(jié)構(gòu)驅(qū)動形成, 其射流效果與生物相比有一定的差距, 因此, 文中通過采用一種智能的軟體材料, 利用其電致變形過程形成仿生的合成射流技術(shù)。

介電彈性體(dielectric elastomer, DE)是一種新型的電活性聚合物智能材料[3]。在其上下表面涂敷柔性電極之后外加激勵電場的作用下, 可以產(chǎn)生大尺度的應(yīng)變, 具有變形大、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點, 因此又被稱為“人造肌肉”。將其作為合成射流驅(qū)動器部件的材料, 有望實現(xiàn)仿生的射流驅(qū)動功能, 為新型仿生水下機器人的研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

文中首先總結(jié)了現(xiàn)有的水下推進(jìn)技術(shù), 然后介紹了合成射流的原理, 在DE材料變形的基礎(chǔ)上, 提出了基于DE材料的合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu), 最后進(jìn)行了流場仿真分析。

1 水下推進(jìn)技術(shù)及其特點

水下機器人推進(jìn)技術(shù)可以分為傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式和仿生型的推進(jìn)方式。傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)依靠剛性結(jié)構(gòu)以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力進(jìn)行驅(qū)動, 通過將多組螺旋槳進(jìn)行組合以實現(xiàn)多種運動姿態(tài)的調(diào)整。螺旋槳技術(shù)在較大的推進(jìn)速度下連續(xù)運轉(zhuǎn)時, 可產(chǎn)生高效的推進(jìn)力[4]。但是, 由于采用螺旋槳推進(jìn)需要剛性結(jié)構(gòu)的輔助支撐, 造成在小型水下機器人中應(yīng)用時, 機器人運動的靈活性較差。特別是多組螺旋槳組合時, 不工作的螺旋槳會對機器人的運動產(chǎn)生阻礙。且螺旋槳運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的噪聲, 造成機器人的隱身性能不佳[5]。仿生型的推進(jìn)技術(shù)按照運動方式可分為擺動式和流體噴射式。擺動式主要是模仿魚類、蛇類等通過擺動尾鰭或身體, 借助水的推力來推動整體前進(jìn)。目前國內(nèi)外在仿生水下機器人推進(jìn)技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi), 多依靠電機驅(qū)動下由鉸鏈連結(jié)的剛性結(jié)構(gòu)[5], 主要集中在對水下生物的外觀和運動方式的模仿, 通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和傳統(tǒng)配合達(dá)到“形似”的效果, 在水下機器人的機動性和靈活性上還有很大的提升空間。流體噴射是另一種仿生型的水下推進(jìn)技術(shù), 主要是模仿烏賊的運動方式, 通過向機器人運動方向的反方向噴射水流, 利用反推力驅(qū)動機器人向前運動。該技術(shù)能實現(xiàn)加速度的改變, 具有快速移動的特征, 因此在水下機器人的逃生、偵查、攻擊等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

2 合成射流的形成原理及特點

烏賊的噴射是一種典型的合成射流, 以此為借鑒, 20世紀(jì)90年代, 美國喬治亞理工大學(xué)Glezer教授團(tuán)隊[6]利用壓電振子作為驅(qū)動部件研發(fā)出一款合成射流驅(qū)動器, 如圖1所示。

圖1 壓電驅(qū)動的合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

該合成射流驅(qū)動器主體結(jié)構(gòu)為一個帶有小孔的腔體, 通過壓電振子的逆壓電效應(yīng)使腔體的容積發(fā)生改變。當(dāng)腔體容積增大時, 腔內(nèi)壓強減小, 外部流場的流體經(jīng)由射流孔進(jìn)入容腔; 當(dāng)腔體體積減小時, 腔內(nèi)壓強增大, 流體經(jīng)由射流孔噴出容腔。在吸入流體與排出流體交替進(jìn)行的過程中, 射流孔附近的流體受到較大強度的剪切作用, 發(fā)生流動的分離并形成漩渦對, 在自誘導(dǎo)速度下向遠(yuǎn)離射流孔的位置遷移。在下一個吸入流體的過程中, 前期產(chǎn)生的漩渦對已遠(yuǎn)離射流孔, 不會受到吸入流體過程的影響, 最后在下游位置由于耗散作用, 其結(jié)構(gòu)逐漸消散, 變?yōu)樯y的湍流, 最后與外界流場完全融為一體。這樣, 在交變電壓的驅(qū)動下, 通過合成射流驅(qū)動器產(chǎn)生一系列不斷向下游位置遷移的漩渦對, 使其具有流體運輸?shù)哪芰Α?/p>

為保證合成射流的形成, 需使得從射流口吹出的射流不受腔體吸入流體時的影響, Yogen等[7]研究并確定了一條形成合成射流的規(guī)則: 合成射流的形成條件可以用渦環(huán)向下游遷移的自誘導(dǎo)速度和吸入流體時的平均速度2個量表征, 當(dāng)這2個量的比值大于某一個數(shù)時, 合成射流就可以形成, 軸對稱圓孔結(jié)構(gòu)的值為2。

合成射流的中部主流由兩部分組成, 一部分是由射流孔噴射出的中心射流, 另一部分是由中心射流和渦環(huán)向下游遷移過程中, 受到卷吸作用形成的附著外層流[8]。在渦環(huán)的卷吸作用下, 合成射流具有極佳的方向性。

目前, 合成射流驅(qū)動器按照產(chǎn)生合成射流的振源方式可以分為壓電膜振動式、活塞振動式、聲激勵式和形狀記憶合金作動式[9]。在采用壓電元件、形狀記憶合金、人工肌肉等功能材料的驅(qū)動器中, 功能材料既是整個裝置的動力源和傳動結(jié)構(gòu), 還是運動關(guān)節(jié), 除此之外無其他機械結(jié)構(gòu), 因此, 整個仿生驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)可以非常緊湊, 整體尺寸很小[10]。繼美國喬治亞理工大學(xué)的Glezer等研究出了第一臺壓電式合成射流激勵器, 并對合成射流的形成機理以及流場的發(fā)展演變進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6]之后, 美國華盛頓大學(xué)的Liang等[11]以鐵磁形狀記憶合金(ferromagnetic shape memo- ry alloy, FSMA)復(fù)合材料作為振動膜, 利用電磁力驅(qū)動FSMA膜變形以形成合成射流, 并獲得了高達(dá)190 m/s的射流速度。

通過對當(dāng)前合成射流驅(qū)動器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn), 大多數(shù)合成射流驅(qū)動器以壓電元件作為驅(qū)動部件。壓電元件的優(yōu)勢在于控制操作簡單, 可控制頻率范圍寬, 且制成的合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小。相比之下, 活塞式合成射流驅(qū)動器一般需要外加電機, 結(jié)構(gòu)通常比較笨重, 除此之外, 這種類型往往要消耗更多能源。形狀記憶合金作動式的缺點在于這種驅(qū)動器往往只能在低頻段使用[8]。盡管以壓電元件作為驅(qū)動部件是目前研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點, 但是它的驅(qū)動效果并非完美, 壓電元件在外加電場作用下發(fā)生逆壓電效應(yīng), 使得與其粘接的膜變形振動, 這種振動的幅值并不大, 一般在幾十微米的數(shù)量級[12], 這使得產(chǎn)生的合成射流的速度還有待提高?？偨Y(jié)這幾種合成射流激勵方式的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 合成射流激勵方式比較

因為上述激勵方式不能理想地實現(xiàn)烏賊式的噴射功能, 新型合成射流驅(qū)動器亟待研究。

3 DE及合成射流驅(qū)動器設(shè)計

3.1 DE的電致變形原理

在DE材料的2個表面涂敷柔性電極之后, 制成類似于三明治的層狀結(jié)構(gòu), 如圖2所示。在上下兩面施加電壓之后, 2個電極將會分別積聚正負(fù)電荷, 由于電荷互為異性, 其相互吸引形成電場力, 導(dǎo)致沿著電場線方向上DE被壓縮; 而在同一個電極面上, 由于同種電荷互相排斥, 導(dǎo)致在垂直于電場線方向上發(fā)生擴張, 最終導(dǎo)致DE在這兩部分應(yīng)力的綜合作用下呈現(xiàn)出大變形的特征。

圖2 介電彈性體電致變形

3.2 基于DE的合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于DE材料的大變形特性, 文中提出一種合成射流驅(qū)動器。其中, DE驅(qū)動部件的設(shè)計如圖3所示。用一個壓縮彈簧對DE膜施加預(yù)載荷, 在彈簧力的作用下, DE膜被頂起成為錐形結(jié)構(gòu), 此時DE膜內(nèi)部的拉應(yīng)力與彈簧力達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)在DE膜的2個環(huán)面上施加電壓時, 膜會在厚度上被壓縮, 由于DE材料不可壓縮, 其面積上發(fā)生擴張, 彈簧頂著DE膜向前產(chǎn)生一小段位移。撤掉電壓之后, DE膜會恢復(fù)原來的狀態(tài), 將彈簧壓縮回原來的位置。當(dāng)在DE膜上施加交變電壓時, DE膜就會在彈簧的作用下周期性地輸出位移, 使得合成射流驅(qū)動器的腔體內(nèi)部容積發(fā)生周期性變大和變小, 也導(dǎo)致流體被周期性地吸入和吹出。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計, 有望在射流口處由于流體的剪切作用形成渦環(huán), 產(chǎn)生穩(wěn)定射流。

圖3 合成射流驅(qū)動器驅(qū)動部分工作原理

圖中:為彈簧的勁度系數(shù);1和2分別表示未加載電壓時和加載電壓之后彈簧的壓縮量;1和2分別表示未加載電壓時和加載電壓之后DE膜對彈簧的拉力。

基于上述的合成射流驅(qū)動器驅(qū)動部分的工作原理, 設(shè)計了一款合成射流驅(qū)動器如圖4所示。圓形的DE膜用墊片固定, 中間部位與頂塊的上表面粘接。彈簧位于頂塊與尾部之間, 將DE膜頂起為錐形。頭部為帶有射流孔的腔體。圖4(a)是合成射流驅(qū)動器的透視效果, 圖4(b)是合成射流驅(qū)動器各零件拆分開之后的效果圖。對該合成射流驅(qū)動器的重要部件標(biāo)注了尺寸, 如圖5所示。

與傳統(tǒng)的合成射流驅(qū)動方式相比, 基于DE材料的合成射流驅(qū)動器具有以下優(yōu)點:

1) 由于DE材料具有大變形的特點, 可以實現(xiàn)合成射流驅(qū)動器腔體容積較大的變化, 有望得到效果更顯著的合成射流;

2) 得益于DE材料質(zhì)量輕的優(yōu)點, 該合成射流驅(qū)動器應(yīng)用在水下仿生機器人上可以大大減小機器人的整體質(zhì)量;

圖4 合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

圖5 合成射流驅(qū)動器主要零件尺寸

3) DE材料的響應(yīng)速度快, 可以有效提高水下機器人的機動性和靈活性;

4) 該驅(qū)動器減少了傳動系統(tǒng), 因此具有更好的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度。

4 合成射流流場仿真

基于上述優(yōu)勢, 文中將通過數(shù)值仿真的方法對合成射流效果進(jìn)行研究。西北工業(yè)大學(xué)的羅劍等[13]在以壓電振子作為驅(qū)動部件的基礎(chǔ)上, 使用有限元軟件ANSYS與CFX耦合, 提出了一種多物理場雙向耦合的數(shù)值仿真方式, 除了考慮壓電振子對流體的作用之外, 還考慮到了流體對壓電振子的作用, 獲得的結(jié)果與Glezer的實驗數(shù)據(jù)[6]對比, 證明了多物理場耦合數(shù)值仿真方法能夠較準(zhǔn)確地表達(dá)合成射流產(chǎn)生及發(fā)展的過程。因此, 文中也采用了有限元軟件ANSYS Workbench對DE材料驅(qū)動的合成射流驅(qū)動器工作狀態(tài)下的流場進(jìn)行研究。在該部分的仿真中, 將合成射流驅(qū)動器放置于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣中, 對空氣流場的變化進(jìn)行了仿真。由于涉及到流固耦合, 故使用瞬態(tài)求解模塊與CFX模塊相耦合的方式實現(xiàn)仿真。

4.1 計算模型的建立

合成射流驅(qū)動器工作時會出現(xiàn)較劇烈的旋流, 因此, 在三維模型建模中, 對于流場邊界條件的設(shè)定是難點之一。文中流場與DE膜接觸的壁面設(shè)定為流固耦合面interface, 類型為壁面邊界, 在CFX模塊中將此接觸面設(shè)置為結(jié)構(gòu)場與流場交換信息的流固耦合面。通過這個面, 流場將力的作用傳遞給結(jié)構(gòu)場, 結(jié)構(gòu)場將位移量傳遞給流場。流場與合成射流驅(qū)動器殼體接觸的面設(shè)置為無滑移壁面邊界, 表示在靠近壁面的位置, 空氣的流速為零。由于在合成射流驅(qū)動器工作過程中, 在整個流場模型最外側(cè)的面上, 空氣會有流入與流出2種狀態(tài), 其速度方向不能確定, 因此模型最外側(cè)的面設(shè)置為開放式邊界, 空氣設(shè)定為相對壓強為零, 湍流強度為Medium(intensity=5%)。流場設(shè)定為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣。湍流模型選用了k-Epsilon模型。如圖6所示, 整個流場可分為射流驅(qū)動器內(nèi)部的腔內(nèi)流場和射流驅(qū)動器外的外部流場, 二者之間通過射流孔連接, 圖中為流場的剖面。單元類型為Solid186, 單元數(shù)目為209542。

圖6 流場模型網(wǎng)格

合成射流驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。對于合成射流驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)場模型, 由于頭部、尾部等殼體零件在仿真中沒有變形, 因此可以將這些零件在建模中省略, 只對DE膜和中間的頂塊進(jìn)行建模, 如圖7所示。外側(cè)一圈為DE膜, 中間頂塊材質(zhì)為塑料。單元類型為Solid186, 單元數(shù)目為2 670。由于DE材料具有超彈性和粘彈性, 文中采用Yeoh模型來描述DE的超彈性, 用與時域相關(guān)的Prony模型來描述DE的粘彈性。Yeoh模型表示不可壓縮超彈性材料的應(yīng)變能函數(shù)[14-15]

表2 合成射流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 結(jié)構(gòu)場模型網(wǎng)格

Prony模型[15-16]表示為

表3 Yeoh模型超彈性材料參數(shù)

表4 Prony模型粘彈性材料參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

通過流固耦合分析, 得到的流場速度場變化如圖8所示, 渦量圖如圖9所示。

圖8 流場速度場變化

圖8(a)中, interface面產(chǎn)生了向上的位移, 射流器處于“噴射”階段, 在靠近射流孔口的位置, 由于流體的剪切作用形成了緊貼射流口周圍一圈不斷發(fā)展的渦環(huán)。應(yīng)該注意的是, 實際上, 在射流口附近形成的是類似于洋蔥圈形狀的渦環(huán), 此處采取了剖面視圖, 因此看到的是2個對稱的渦。圖8(b)中, 為了不遮擋表征interface面位移的箭頭, 將interface面透明表示。interface面向下位移, 射流器處于“吸氣”階段, 在射流口附近發(fā)生了流動的分離, 即射流孔口的流體被吸入腔內(nèi), 而稍微遠(yuǎn)離射流孔位置的流體在渦環(huán)的卷吸作用下繼續(xù)向下游遷移。隨著interface面的周期運動, 從圖9中可以看出, 在下游形成了一系列渦環(huán), 且渦環(huán)的尺寸在逐漸變大。中心位置的射流在遠(yuǎn)離射流孔的位置依然能夠保持很好的方向性。文獻(xiàn)[17]中, 李斌斌使用揚聲器作為激勵, 產(chǎn)生了合成射流, 通過粒子圖像激光測試技術(shù)給出了流場形態(tài)的直觀表示, 與文中仿真得到的結(jié)果基本吻合, 證明合成射流驅(qū)動器工作狀態(tài)下產(chǎn)生的射流符合合成射流的特征。

圖9 流場渦量

5 結(jié)束語

文中結(jié)合DE材料的電致變形特點, 設(shè)計了一款采用柔性智能材料驅(qū)動的合成射流驅(qū)動器。與傳統(tǒng)的合成射流推進(jìn)技術(shù)相比, 文中所提的合成射流驅(qū)動器具有質(zhì)量小、響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點。對合成射流驅(qū)動器在空氣中工作時產(chǎn)生的流場變化進(jìn)行了有限元仿真, 仿真得到的流場特征符合合成射流的特點, 表明該射流器能夠產(chǎn)生有效的合成射流。仿真結(jié)果表明, 雙向流固耦合分析可以模擬合成射流驅(qū)動器孔口位置復(fù)雜的流場變化。文中的研究為進(jìn)一步對合成射流驅(qū)動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了參考。有望為新型的仿生水下機器人的研究提供分析方法。但文中所做研究尚有一些不足之處, 包括對流場的仿真未在水中進(jìn)行, 仿真需要考慮流體-結(jié)構(gòu)-電3個物理場相耦合的情況, 需要在進(jìn)一步的研究中予以完善。

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Flow Field Simulation of Synthetic Jet Actuator Based on Dielectric Elastomer

MA Wen-tao#, TANG Chao#, LI Bo, ZHU Zi-cai, CHEN Hua-ling

(1. Shaanxi Key Lab of Intelligent Robots, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Mechanical Engineering and Institute of Robotics and Intelligent Systems, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Based on the biomimetic mechanism, a design method of synthetic jet actuator actuated by dielectric elastomer (DE) electro-deformation is proposed, and finite element simulation of the flow field in its working process is carried out. The results show that the fluid jet produced by the synthetic jet actuator has the characteristics of synthetic jet, which can form a series of vortex rings, and the jet maintains good directivity under the entrainment effect of the vortex ring. This design may have good application prospect to new generation of biomimetic synthetic jet actuating.

biomimetic underwater propulsion technology; dielectric elastomer(DE); synthetic jet; finite element simulation

TB381; TP69

A

2096-3920(2019)02-0142-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.004

馬文濤, 湯超, 李博, 等. 基于介電彈性體的合成射流驅(qū)動器流場仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(2): 142-148.

2018-09-26;

2018-10-27.

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃(91748124, 91648110); 國防科工局基礎(chǔ)科研項目.

#馬文濤(1996-), 男, 在讀碩士, 研究方向為介電彈性體驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計; #湯 超(1989-), 男, 在讀博士, 研究方向為智能材料與結(jié)構(gòu).

(責(zé)任編輯: 許 妍)