側(cè)噴射流的仿生魚表面減阻優(yōu)化研究

劉國勇 ，宋中鑫，朱冬梅

（北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 10083）

覆蓋著地球71%面積的海洋蘊(yùn)藏著豐富的魚類、礦產(chǎn)、能源等資源［1］，對于海洋的開發(fā)和爭奪成了很多發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略重點(diǎn).仿魚形水下機(jī)器人是一種集機(jī)械、智能控制于一體的高科技設(shè)備，在民用、軍事等科學(xué)研究領(lǐng)域均體現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價值［2］.國內(nèi)外學(xué)者越來越重視仿生機(jī)器魚的研究與開發(fā)，并取得了很多階段性成果.

在基礎(chǔ)理論方面，Gray［3］認(rèn)為海豚的肌肉所能提供的功率只相當(dāng)于與它身體相似的剛體模型以15～20節(jié)的時速前進(jìn)時所需功率的1/7，他從能量守恒的角度提出了一個結(jié)論：海豚的游動效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了100%.人們將這個結(jié)論推廣到整個魚類，稱為“Gray 悖論”.直到今天，這個悖論還激勵著廣大科學(xué)工作者以精確的科學(xué)方式證明其對錯.Lighthill［4］將空氣動力學(xué)的二維機(jī)翼理論運(yùn)用于尾鰭推進(jìn)的研究，提出了用于分析鲹科魚類推進(jìn)模式的“細(xì)長體理論”，后進(jìn)一步又提出了“大擺幅細(xì)長體理論”［5］.Wu［6］通過研究提出了“二維薄板理論”，將魚看成一個具有彈性的薄板，進(jìn)一步又提出了“非定常二維波動板理論”［7］，該理論分析了扁平月牙尾魚的推進(jìn)及優(yōu)化方式.在應(yīng)用研究方面，Triantafyllou 等［8］開發(fā)并研制出了名為RoboTuna 的機(jī)器魚，它是世界上第一臺真正意義上的仿生機(jī)器魚，能通過擺動尾柄和尾鰭像魚一樣在水中游動，最高游動速度可以達(dá)到 2 m/s.Wang等［9］設(shè)計(jì)開發(fā)了各種類型的機(jī)器魚，并將剛體動力學(xué)與Lighthill的大幅度細(xì)長體理論相結(jié)合，提出了由尾鰭驅(qū)動的機(jī)器人魚的完整動態(tài)模型.國內(nèi)對仿生魚的研究起步較晚，中國科學(xué)院自動化研究所研發(fā)的多連桿仿生海豚，可實(shí)現(xiàn)偏航與俯仰的運(yùn)動，且首次在水下機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了混合雜技特技［10］.張藝博等［11］以鱷魚為原型設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)水陸兩棲運(yùn)動的仿生機(jī)器人，彌補(bǔ)了國內(nèi)外的水下機(jī)器人機(jī)動性能差、復(fù)雜地形適應(yīng)性弱等缺陷.

在減阻方面，仿生減阻、微氣泡減阻、超空泡減阻等各種減阻技術(shù)相繼被提出并應(yīng)用于實(shí)踐中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的科研和應(yīng)用價值［12］.仿生射流減阻技術(shù)是一個新興的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外研究者們對側(cè)向射流和逆向射流技術(shù)進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究［13-14］，發(fā)現(xiàn)均有很好的減阻效果.趙剛等［15］基于魚類鰓裂部位仿生射流表面理論分析，對仿生射流表面回轉(zhuǎn)體進(jìn)行射流試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仿生射流表面具有較好的減阻效果，最大減阻率達(dá)到10.8%.李芳等［16-17］對流體在多孔仿生射流表面上的流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)減阻效果隨著流速比的增大而增強(qiáng)，最大減阻率為59.02%，并解釋了射流表面減小摩擦阻力的原因及對近壁區(qū)邊界層的控制行為.

在仿生魚領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究主要針對仿生魚的控制、驅(qū)動、力學(xué)特性等方面進(jìn)行研究，對表面減阻的研究相對比較少.此外，當(dāng)前關(guān)于水下表面減阻的研究，主要是基于平板模型或圓筒模型開展，對于流場環(huán)境復(fù)雜的曲面模型研究較少.本文依據(jù)金槍魚的外形建立仿生魚模型，將模型與射流減阻技術(shù)相結(jié)合，研究射流孔的形狀、高度、位置、高寬比對仿生魚表面減阻的影響，并采用響應(yīng)面法分析不同因素相互作用時對減阻性能的影響，得出最優(yōu)減阻方案，對仿生減阻有一定參考意義.

1 模型建立

1.1 模型基本參數(shù)

1.1.1 仿生魚模型基本參數(shù)

金槍魚適合高速游動，可長時間以30～50 km/h（8.3～13.9 m/s）的速度巡游，瞬間速度最高可達(dá)150 km/h，在仿生領(lǐng)域備受關(guān)注.本文以金槍魚為仿生對象建立光滑模型，巡游速度范圍取8～14 m/s，使用解析式流線型模仿金槍魚的外形輪廓，忽略金槍魚的魚鰭，仿生魚的幾何參數(shù)如圖1 所示.其中L為魚體長度，LE為進(jìn)流段長度，LR為去流段長度，D為最大截面直徑，DT為尾端截面直徑.本文主要研究射流孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對仿生魚模型的減阻影響，定義仿生魚模型的尺寸參數(shù)為：L=100 mm，LE=30 mm，LR=70 mm，D=30 mm，DT=3 mm.

圖1 仿生魚的幾何參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geometric parameters of the bionic fish

1.1.2 射流孔基本參數(shù)

設(shè)計(jì)了前月牙形、后月牙形、前三角形、后三角形4種不同形狀的射流孔，如圖2所示.其中s為射流孔寬度，h為射流孔高度.射流孔來源于對鯊魚鰓部的仿生模擬，通過觀察鯊魚腮部大小，其高度介于形體最大直徑的1/6 至1/3，本文研究的射流孔高度為6～10 mm，高寬比ks=h/s，范圍定為4～10.

圖2 4種形狀的射流孔Fig.2 Four types of jet holes

將射流孔垂直于來流速度方向布置在模型上，如圖3 所示.射流孔到魚首的距離定義為射流孔位置x，本文研究的射流孔位置為5～25 mm.

圖3 射流孔的布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the jet hole arrangement

射流表面減阻率η的計(jì)算式為：

式中：FS為光滑表面所受黏性阻力；FJ為射流表面所受黏性阻力.定義相對射流流量Vs：高8 mm 的后三角形射流孔，在射流速度為1 m/s 時，單位時間內(nèi)的射流流量為V*，相同時間內(nèi)在任意射流速度下的射流流量為V，則V/V*為該工況下的相對射流流量Vs.從而可以進(jìn)一步定義單位體積射流減阻率ηs：

式中：ηs為射流表面減阻率η與相對射流流量Vs的比值，表示單位體積流量的射流對減阻率的貢獻(xiàn).在射流孔大小、射流孔形狀或射流速度不同時，以ηs來比較不同工況下的射流減阻的效率，作為評價射流減阻性能的一個重要指標(biāo).

1.2 網(wǎng)格劃分

本文研究的是仿生魚繞流問題，設(shè)置大小為Φ400 mm×400 mm 的計(jì)算域，為減小工作量，建立 1/2 三維模型.在仿生魚距離魚首5 mm 處，添加高度h=8 mm，高寬比ks=4，射流孔角度為0°（射流孔垂直魚體軸線布置）的前月牙形射流孔.由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對模型進(jìn)行Tetra/Mixed 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并使用Robus（tOctree）劃分策略.這種方法在網(wǎng)格劃分過程中首先生成模型體網(wǎng)格，在這之后生成模型面網(wǎng)格，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分適應(yīng)能力更強(qiáng)，比較適合用于本節(jié)的仿生魚射流減阻模型.

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格的數(shù)量和密度有著很大關(guān)系，而在關(guān)注流體表面壓差阻力和摩擦阻力時，需要根據(jù)邊界層的實(shí)際情況設(shè)置合適的邊界層網(wǎng)格高度.本文研究的仿生魚繞流問題為湍流問題，在定義邊界層網(wǎng)格高度時應(yīng)使第一層網(wǎng)格的y+＜10，以精確求解邊界層流場的物理問題，本文取y+=2，在來流速度為14 m/s 時計(jì)算得出近壁面第一層網(wǎng)格的高度設(shè)置約為0.003 mm，網(wǎng)格高度增長比率設(shè)置為1.001，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，仿生魚模型表面的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2 mm，網(wǎng)格總數(shù)為400 萬，如圖4 所示，下文模型的網(wǎng)格劃分在此基礎(chǔ)上進(jìn)行.其中，網(wǎng)格劃分使用ICEM 15.0，仿真計(jì)算在Fluent 15.0中進(jìn)行.

圖4 射流模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of jet model

Quality 是CFD 常用的網(wǎng)格質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)之一，對于不同類型的網(wǎng)格其采用不同的衡量方式，對于三角形或四面體網(wǎng)格，其代表著計(jì)算高度與每一條邊的長度比值.其表示網(wǎng)格的整體質(zhì)量，數(shù)值為0～1，數(shù)值為1時最好，通常認(rèn)為0.3以上時網(wǎng)格質(zhì)量較好.圖5 為三維模型網(wǎng)格質(zhì)量，從圖5 中可以看出，網(wǎng)格的Quality大部分處于0.38以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計(jì)算要求.

圖5 三維模型網(wǎng)格質(zhì)量Fig.5 3D model mesh quality

1.3 邊界條件設(shè)置

本文研究主要關(guān)注仿生魚表面阻力，其中摩擦阻力（黏性阻力）與邊界層處流體的剪切應(yīng)力有關(guān)，需要精確求解邊界層中的黏性底層，因此湍流模型選擇SSTκ-ω的模型，使用低雷諾數(shù)方程求解.求解器選擇基于壓力的分離求解器，分離算法選擇SLMPLEC 算法，離散格式選擇二階迎風(fēng)離散格式（Second Order Upwind），收斂精度設(shè)置為十萬分之一，流場介質(zhì)設(shè)置為液態(tài)水、不可壓縮流體，密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 003 kg（/m·s），通過計(jì)算可得出仿生魚流場周圍雷諾數(shù)為8.0e+5～1.4e+6.流場入口為速度入口（Velocity-inlet），出口為壓力出口（Pressure-outlet），并將壓力出口的表壓（Gauge Pressure）設(shè)置為默認(rèn)為0.流場外邊界、仿生魚表面以及旋轉(zhuǎn)壁面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件（Wall）.流場入口和出口的湍流黏度比（Turbulent Viscosity Ratio）設(shè)置為默認(rèn)的5%，其余設(shè)置保持默認(rèn).1/2 模型計(jì)算域如圖6 所示.下文的模型分析在此基礎(chǔ)上進(jìn)行.

圖6 1/2模型計(jì)算域Fig.6 Calculation domain of one-half model

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

仿真計(jì)算受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，因此需要網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，來獲得合適的網(wǎng)格尺寸和數(shù)量，以保證仿真模擬計(jì)算的精度和效率.采用3 種方案對仿生魚模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量分別為200 萬、400 萬、800 萬.保持其他設(shè)置相同，分別將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行計(jì)算.3 種方案下計(jì)算得出的阻力系數(shù)如表1 所示，其中阻力系數(shù)變化比為網(wǎng)格數(shù)量200 萬和400 萬時計(jì)算得到的結(jié)果分別與網(wǎng)格數(shù)量為800萬時的計(jì)算結(jié)果相比較得到的.

表1 3種網(wǎng)格數(shù)量下的阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果及對比Tab.1 The calculation results and comparison of resistance coefficient under three kinds of grid numbers

由表1 中可以看出，網(wǎng)格數(shù)量從400 萬增加到800萬時，各項(xiàng)阻力變化比在1%以內(nèi)，表明網(wǎng)格數(shù)量為400萬的量級能夠滿足計(jì)算精度要求.

2 主流場速度及射流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對減阻的影響

2.1 主流場速度對減阻的影響

在仿生魚距離魚首5 mm處，添加射流孔高度h=8 mm，形狀為前月牙形的射流孔.在主流場速度（來流速度）v=8～14 m/s（間隔1m/s 取值），射流速度VJ=0.2～1.2 m/s（間隔0.2 m/s 取值）的情況下，分析主流場速度v對減阻效果的影響.

圖7 為不同主流場速度下總阻力減阻率與速度比VJ/v的關(guān)系.從圖中可以看出，在射流速度VJ與主流場速度v的比值保持不變的情況下，不同主流場速度下的減阻率比較接近.這說明，合理調(diào)整射流速度VJ的大小，在主流場速度較大時也能夠獲得較高的減阻率.

圖7 不同主流場速度下減阻率與速度比的關(guān)系Fig.7 Relationship between drag reduction rate and velocity ratio under different main flow field velocities

圖8 為不同主流場速度下仿生魚模型的表面單位體積射流減阻率.從圖中可以看出，在主流場速度相同時，射流速度VJ越大，仿生魚模型的表面單位體積射流減阻率越高.在相同射流速度VJ下，主流場速度v越大，單位體積射流減阻率越低.

圖8 不同主流場速度下的單位體積射流減阻率Fig.8 Drag reduction rate of unit volume jet under different main flow field velocities

2.2 射流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對減阻的影響

在主流場速度v=14 m/s，射流速度VJ=0.2～1.2 m/s（間隔0.2 m/s 取值）的情況下，分別單獨(dú)改變射流孔形狀、射流孔高度、射流孔位置、射流孔高寬比這4個參數(shù)，分析其對減阻效果的影響，仿真分析結(jié)果如圖9所示.

由圖9（a）可以看出，隨著射流速度VJ的增大，不同形狀射流孔的單位體積射流減阻率呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，在相同射流速度下，后三角形的射流孔減阻效果更好.由圖9（b）可以看出，在同一高度下隨著射流速度的增大，單位體積射流減阻率逐漸增大，隨著射流孔高度h的增加，不同射流速度下的單位體積射流減阻率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.由于單位體積射流減阻率表示單位體積流量的射流對減阻率的貢獻(xiàn)，改變射流孔位置并不會改變單位體積流量，因此選取總阻力減阻率來評價不同射流孔位置的減阻效果，如圖9（c）所示.從圖中可以看出，在射流孔位置x相同的情況下，減阻率隨著射流速度VJ的增加而增大，且射流孔越靠后，總阻力減阻率隨射流速度增加而增大的幅度就越小.在射流速度相同的情況下，射流孔越靠前，總阻力減阻率就越大，且射流速度越大，減阻效果越明顯.由圖9（d）可以看出，當(dāng)射流孔高寬比ks=4 時，仿生魚模型的表面單位體積射流減阻率隨射流速度的增大而增加，并趨于穩(wěn)定值；當(dāng)ks＞4 時，仿生魚模型的表面單位體積射流減阻率隨射流速度的增大而減小最終趨于穩(wěn)定.在射流速度VJ相同的情況下，高寬比ks為6 時單位體積射流減阻率最大.

3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，往往需要考慮許多參數(shù)，而每個參數(shù)又需要足夠的變量來提供樣本數(shù)據(jù)，這樣工作量是隨著參數(shù)數(shù)量的增多指數(shù)型增長的，因此往往采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化.本文擬采用響應(yīng)面法分析射流孔各個結(jié)構(gòu)參數(shù)在交互作用時對減阻的影響，并求出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響仿生魚表面減阻的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有射流孔形狀、射流孔高度、射流孔位置及射流孔高寬比等.根據(jù)Box-Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，本文使用Design-Expert 軟件進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，射流孔高度、射流孔位置、射流孔高寬比為自變量，仿生魚模型的總阻力為響應(yīng)值，其試驗(yàn)水平及仿生魚的總阻力分別見表2 和表3.確定相關(guān)因素不變量為：射流孔形狀為后三角形，主流場速度v=14 m/s，射流速度VJ=1.2 m/s.

表2 響應(yīng)面分析與因素水平表Tab.2 Response surface analysis and factor level table

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.3 Response surface experimental design and results

3.2 回歸方程建立與分析

將表3 中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design Expert 軟件中進(jìn)行多元回歸擬合，建立回歸方程如下：

式中：R表示模型總阻力的預(yù)測值.

對回歸方程進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表4所示.

表4 模型總阻力回歸方程分析Tab.4 Analysis of the model total resistance regression equation

模型的F值為50.24，P值為0.000 2，表明該模型是顯著的，可信度較高.回歸方程中的h、x、hks、xks、h2、x2較為顯著，其余三項(xiàng)不夠顯著，但整體來看，該二次回歸方程模型比較顯著，與實(shí)際值能夠較好的擬合，可以使用此模型對仿生魚模型的總阻力大小進(jìn)行預(yù)測.

3.3 響應(yīng)面分析

分析比較射流孔高度、射流孔位置、射流孔高寬比3個參數(shù)對總阻力的影響，使一參數(shù)固定不變，比較其余兩參數(shù)對總阻力的影響，結(jié)果如圖10～圖12所示.

圖10 射流孔高度與射流孔位置對仿生魚總阻力影響Fig.10 Effect of jet hole height and jet hole position on total drag of bionic fish

等高線的形狀能夠反映交互效應(yīng)的情況，橢圓形表示交互程度強(qiáng)，圓形表示交互效應(yīng)弱.

由圖10 可以看出，在射流孔的高寬比固定時，高度h和位置x交互作用等高線圖呈現(xiàn)橢圓形，表明二者的交互作用顯著.由圖10（a）可知，仿生魚的總阻力隨著高度h和位置x的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，且位置x的上升幅度大于高度h，說明射流孔位置對總阻力的影響較大.當(dāng)射流孔高度為 10 mm，射流孔位置為5 mm時，模型預(yù)測的仿生魚總阻力達(dá)到最小值2.547 82 N.當(dāng)射流孔高度固定時，位置x與高寬比ks對總阻力的影響如圖11 所示.由圖11（a）可知，隨著位置x和高寬比ks的增大，總阻力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，且位置x的上升幅度大于高寬比ks，說明射流孔位置對總阻力的影響大于射流孔高寬比.由圖11（b）可知，射流孔位置x與射流孔高寬比ks的交互作用顯著.當(dāng)射流孔位置為 5 mm，射流孔高寬比為4 時，模型預(yù)測的仿生魚總阻力達(dá)到最小值2.496 82 N.如圖12 所示，由圖12（a）可知，隨著高度h和高寬比ks增加，總阻力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，但這一趨勢并不明顯，高度h的上升幅度相對而言要大于高寬比ks，說明射流孔高度對總阻力的影響大于射流孔高寬比.當(dāng)高度為6 mm，高寬比為10 時，模型預(yù)測的總阻力達(dá)到最小值2.601 06 N.

圖11 射流孔位置與射流孔高寬比對仿生魚總阻力影響Fig.11 Effect of the position of jet hole and the ratio of height and width of jet hole on the total drag of bionic fish

圖12 射流孔高度與射流孔高寬比對仿生魚總阻力影響Fig.12 Effect of jet hole height and jet hole ratio on total drag of bionic fish

利用Design-Expert軟件分析優(yōu)化，通過系統(tǒng)爬坡模擬尋優(yōu)法，以總阻力最小為目標(biāo)得到的最優(yōu)方案為：射流孔高度為6 mm、射流孔位置為5 mm、射流孔高寬比約為4，此時模型預(yù)測可達(dá)到的仿生魚總阻力最小值為2.483 46 N.采用優(yōu)化后的方案，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，重復(fù)3 次，取其平均值得到的仿生魚總阻力為2.510 21 N，對應(yīng)的減阻率為6.49%.

4 結(jié)論

本文以金槍魚為仿生對象，建立了仿生魚的光滑形體模型和添加射流孔的模型，采用數(shù)值模擬的方法，分析了主流場速度、射流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素發(fā)生改變時對仿生魚表面阻力產(chǎn)生的影響.使用響應(yīng)面法分析了不同射流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在共同作用時對仿生魚表面減阻的影響，得出了最優(yōu)減阻方案.

得出的主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)來流速度增加時，需要增大射流速度，使得射流速度與來流速度的比值較大，才能獲得較高的減阻率.

2）在相同射流速度下，后三角形的射流孔減阻效果更好；隨著射流孔高度h的增加，不同射流速度下的單位體積射流減阻率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；在所給的范圍內(nèi)，射流孔越靠前，總阻力減阻率就越高，且射流速度越大，減阻效果越明顯；當(dāng)高寬比ks為4時，單位體積射流減阻率隨射流速度的增大而增加，當(dāng)ks＞4 時，單位體積射流減阻率隨射流速度的增大而減小最終趨于穩(wěn)定.

3）在射流孔形狀選用后三角形、射流孔高度為6 mm、射流孔位置為5 mm、高寬比為4 時，能夠達(dá)到更好的減阻效果，通過仿真驗(yàn)證得到了6.49%的減阻速率.