低速水下機(jī)器人水動力試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

張亮，紀(jì)勝軍，2，李樹珍，沈江潔，石磊

(1.河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東德州 253000；3.河北科技師范學(xué)院海洋資源與環(huán)境學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 前言

水動力特性是水下機(jī)器人設(shè)計和運(yùn)動控制的基礎(chǔ)[1]。由于水下機(jī)器人運(yùn)動時周圍流場復(fù)雜，水動力特性分析困難，需要通過試驗(yàn)獲取各項水動力系數(shù)[2]。國內(nèi)的水下機(jī)器人測試系統(tǒng)一般較為大型[3]，如上海交通大學(xué)的多功能拖曳水池整體尺寸長300 m、寬16 m、深7.5 m，最大拖曳速度10 m/s[4]；中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所擁有的操縱性旋臂水池，直徑48 m、深4.5 m，最大角速度1 rad/s，臂端速度12 m/s，可進(jìn)行船舶、潛水器等的操縱性理論及試驗(yàn)測試，預(yù)報各型水中運(yùn)動體的操縱性能。而國外的測試系統(tǒng)更具有針對性，專業(yè)性也更高，如德國宇航院(DLR)研發(fā)的小水洞，試驗(yàn)段尺寸0.26 m×0.33 m，長1.26 m，試驗(yàn)速度0.5 m/s[5]；ZAHARI M等為研究渦激振動是由湍流旋渦脫落現(xiàn)象引起的，設(shè)計了一個為了教學(xué)目的的低成本水洞[6]。

本文作者針對低速水下機(jī)器人模型試驗(yàn)測取水動力特性的需求，基于相似原理[7]，設(shè)計一套用于測量小型低速水下機(jī)器人水動力系數(shù)的試驗(yàn)系統(tǒng)——室內(nèi)小型低速開口式直流水洞。

1 水洞設(shè)計

針對小型水下機(jī)器人模型設(shè)計的室內(nèi)小型低速開口式直流水洞如圖1所示，主要包括水洞整流段(過渡段二1、擴(kuò)散段2、蜂窩器3、穩(wěn)定段4、收縮段5、過渡段一6)、水箱7、閥8、水泵9、水管10、法蘭11。

圖1 水洞CAD模型

水洞大小主要是由試驗(yàn)段決定的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛笮Q定了試驗(yàn)段的大小[8]。本文作者借鑒劉彥偉和劉瑩[9]對有邊界和無邊界場的模擬分析對比，得出阻塞比不得超過25%，否則結(jié)果沒有實(shí)際意義。借鑒英國NPL水洞的設(shè)計，試驗(yàn)段的長度通常是模型長度的3倍，以保證模型在更均勻的流場中[10]。

根據(jù)以上要求和模型的尺寸比例大小，以100 mm×100 mm×34 mm機(jī)器人模型為基準(zhǔn)，水洞試驗(yàn)段穩(wěn)流區(qū)域達(dá)到300 mm×200 mm×68 mm即可。

2 水洞動力學(xué)仿真試驗(yàn)

2.1 水洞模擬條件設(shè)定

將SolidWorks建立的水洞三維模型導(dǎo)入Space claim軟件，仿真條件設(shè)定如下：

(1)求解域設(shè)置

在Fluent模塊中，檢查網(wǎng)格，保證沒有負(fù)體積網(wǎng)格，默認(rèn)國際單位制。

(2)物理模型設(shè)置

選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，設(shè)置計算域材料為水，選擇速度入口，過渡段二入口為模型模擬入口，D=80 mm，基于流量相等原則，入口速度為2.6 m/s。

(3)求解方案設(shè)置

選擇分離求解程序，Simple算法用于壓力和速度的耦合。添加用于收斂檢查的報告定義——?dú)埐钋€和阻力曲線，曲線收斂才說明數(shù)值可信。選擇初始化，并確保初始化值不能大于10-6，最后進(jìn)行求解計算[11]。

2.2 水動力學(xué)仿真結(jié)果分析

通過模擬計算，得到如圖2所示流體的運(yùn)動狀態(tài)云圖。

圖2 水洞流體運(yùn)動云圖

由圖2(a)可知，水流在入口處給定的速度2.6 m/s，水流經(jīng)過擴(kuò)散段發(fā)散撞入蜂窩網(wǎng)經(jīng)過水流方向和狀態(tài)的整合進(jìn)入穩(wěn)定段，水流變得有規(guī)律且穩(wěn)定流動，但由于水流經(jīng)過蜂窩器的大面積摩擦，水流速度降低，在收縮段處水流速度急劇增大到4.64 m/s，經(jīng)過過渡段噴向開口試驗(yàn)段，水流均勻穩(wěn)定流動。觀察圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中心速度相同，水流均勻流動，但整體會有向周圍擴(kuò)散方向速度均勻減小的趨勢。

為研究水洞試驗(yàn)段是否符合試驗(yàn)要求的范圍，分別截取距離試驗(yàn)段入口0.7、0.9、1.1、1.3 m位置的中心速度云圖進(jìn)行分析。不同截面的速度云圖如圖3所示，選擇距離試驗(yàn)段入口0.7～1.3 m處作為試驗(yàn)范圍，滿足試驗(yàn)條件：(1)最大速度達(dá)到2 m/s；(2)滿足水流流速均勻性、穩(wěn)定性的條件；(3)滿足試驗(yàn)條件的試驗(yàn)區(qū)域大于試驗(yàn)區(qū)域最小限制范圍(300 mm×200 mm×68 mm)，滿足阻塞率不大于25%、長度不小于3倍模型長度的要求。

圖3 不同截面仿真速度云圖

3 水洞試驗(yàn)與標(biāo)定

3.1 動力系統(tǒng)選型

流量Q用流體橫截面積A和流體速度v的乘積來表示

Q=Av

流體橫截面積A為過渡段圓形變方形的面積，圓的內(nèi)接正方形還可以增大水流速度，提高水流品質(zhì)[12]。圓直徑為80 mm，內(nèi)接正方形的邊長取56 mm。經(jīng)模擬，此處速度取4.1 m/s，試驗(yàn)穩(wěn)流段方可達(dá)到試驗(yàn)速度要求，流量Q=46.3 m3/h。

根據(jù)水洞需要的流量和水頭損耗，選用U8000變頻水壓調(diào)節(jié)器及IRG80-125A型立式單級離心泵(性能參數(shù)見表1)構(gòu)成水洞動力系統(tǒng)，如圖4所示，變頻水壓調(diào)節(jié)器壓力范圍為0.05～1.50 MPa，水泵出口處安裝不銹鋼止回閥，防止水倒流。

表1 立式單級離心泵性能

圖4 水洞動力系統(tǒng)

3.2 水洞結(jié)構(gòu)及工作原理

水洞樣機(jī)如圖5所示，由水洞動力系統(tǒng)1、控制面板2、水池3、閥4、管道5、過渡段二3.1、擴(kuò)散段3.2、穩(wěn)定段3.3、收縮段3.4、過渡段一3.5組成。水洞動力系統(tǒng)1為水的流動提供動力，通過操作控制面板2控制動力系統(tǒng)，通過改變壓力的大小來控制水流速度，水池3為開口試驗(yàn)段，管道5連接水池和動力系統(tǒng)，傳遞水流的作用；圖5(b)中各段為水流整流段，決定了水流流場質(zhì)量。

圖5 水洞樣機(jī)

3.3 水洞系統(tǒng)調(diào)試

通過改變水泵的水壓調(diào)節(jié)器的壓力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)試驗(yàn)段水流流速。為保護(hù)水泵電機(jī)安全，減少葉片磨損，設(shè)置壓力0.5～1.0 MPa可調(diào)，測量位置為穩(wěn)流試驗(yàn)段中心，測量并記錄10個時均速度并取平均值。壓力與水洞流速對應(yīng)值見表2。

表2 壓力與水洞流速對應(yīng)關(guān)系

3.4 水洞流場校核

截面速度分布均勻度和流速穩(wěn)定性是表示流場質(zhì)量的兩個重要參數(shù)[13]。

(1)速度均勻性

速度均勻性表示某一時刻試驗(yàn)段斷面上速度分布的均勻性[14]。根據(jù)水洞流場模擬云圖，在試驗(yàn)段內(nèi)選取4個截面(距離入口0.7、0.9、1.1、1.3 m)，每個截面選取45個點(diǎn)，測試點(diǎn)位置如圖6所示，給定2 m/s的水速，將便攜式流速儀豎直置于測速點(diǎn)，單點(diǎn)測量各個截面點(diǎn)的時均速度，將數(shù)據(jù)繪制成云圖，如圖7所示。

圖6 內(nèi)測試點(diǎn)位置示意

圖7 不同截面實(shí)測速度云圖

分析試驗(yàn)得到的云圖可知：水流雖有從中心向四周擴(kuò)散的趨勢，但是中間速度均勻分布，可達(dá)到2 m/s的最大水流速度要求，距試驗(yàn)段入口0.7 m處截面內(nèi)260 mm×185 mm(x(-0.11, 0.15),y(-0.11, 0.075))矩形區(qū)域，1.1 m處截面內(nèi)200 mm×175 mm(x(-0.10, 0.10),y(-0.10, 0.075))矩形區(qū)域及1.3 m處截面內(nèi)200 mm×100 mm(x(-0.10, 0.10),y(-0.025, 0.075))矩形區(qū)域，滿足試驗(yàn)條件，所以滿足試驗(yàn)條件的試驗(yàn)區(qū)域大小為600 mm×200 mm×100 mm，位于距離試驗(yàn)段入口0.7～1.3 m處；或試驗(yàn)條件的試驗(yàn)區(qū)域大小為400 mm×200 mm×175 mm，位于距離試驗(yàn)段入口0.7～1.1 m處，全部大于最小限制范圍(300 mm×200 mm×68 mm)，滿足阻塞率不大于25%、長度不小于3倍模型長度的要求。計算得到此試驗(yàn)平臺的適用范圍為：模型長不大于200 mm，模型來流方向的橫截面積不大于5 000 mm2。

(2)速度穩(wěn)定性

速度穩(wěn)定性是指在一時間段內(nèi)，每隔一定時間測量試驗(yàn)段內(nèi)相同位置的流速大致相同。在試驗(yàn)段中心，給定不同速度，每隔10 min測量一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共測量6組。由表3可以看出，時均速度最大偏差在±0.2 m/s以內(nèi)，符合速度穩(wěn)定性要求。

表3 試驗(yàn)段速度穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù) 單位：m·s-1

4 結(jié)論

基于相似原理設(shè)計一種針對低速水下機(jī)器人的水動力試驗(yàn)系統(tǒng)。經(jīng)仿真模擬及試驗(yàn)分析，最終確定了該試驗(yàn)系統(tǒng)適用的模型尺度范圍和試驗(yàn)位置。此試驗(yàn)系統(tǒng)適用于速度不大于2 m/s，模型長不大于200 mm，模型來流方向的橫截面積不大于5 000 mm2的水動力試驗(yàn)，為低速水下機(jī)器人的水動力試驗(yàn)提供了一種方案。