利用Fluent仿真分析波浪滑翔器的水动力性能
胡滕艳;孙秀军;王兵振;齐占峰;秦玉峰;史健
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【摘 要】针对波浪滑翔器前向速度与垂向牵引速度之间的关系进行了仿真研究,分析了在不同牵引速度下波浪滑翔器所受的前向力和前进速度并给出了具体的关系曲线.通过Fluent仿真软件进行编译,使滑翔器翼板绕转轴在0°～90°范围内运动,得到翼板在不同波浪流下的转矩系数CM进而得到转矩M,将转矩M与弹簧相对于转轴产生的力矩相比较,得到翼板平衡时的升角,然后对翼板进行受力分析,计算出翼板所受前向力以及前向速度.仿真结果显示,垂向牵引速度越大,设备所受前向力和前进速度越大. 【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】2018(037)003
【总页数】5页(P8-12)
【关键词】波浪滑翔器;计算流体力学;Fluent;仿真,水动力
【作 者】胡滕艳;孙秀军;王兵振;齐占峰;秦玉峰;史健
【作者单位】国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112
【正文语种】中 文
【中图分类】P715;TP391.9
随着现代计算机技术的发展，对于水动力的研究摆脱了以往复杂的计算模式，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）[1]越来越多地应用到了现有的水动力计算与模拟工程当中。CFD的快速发展，对于研究在不同状况下翼板的实际受力状况提供了可能，这种仿真手段突破了原有实验条件的种种限制，为各种设备的设计和性能研究提供了理论基础和参考依据，仿真结果能在一定程度上反映真实情况，指导产品设计。
波浪滑翔器的翼板受力和工作情况复杂，其前进的驱动力来自波浪能。水面上的牵引机从波浪的波谷上升到波峰时，通过脐带缆牵引翼板上升，牵引机从波峰到达波谷过程中依靠
滑翔体自身重力下降。滑翔体上升下浮过程中通过水流对水翼的冲击力不同来实现攻角的变化，全部过程不需要消耗任何自身携带能源，只需要利用海面上源源不断的波浪起伏来实现从波浪能到机械能的转化，产生前进的动力，并通过搭载在浮体上的设备完成各项测试和收集任务。通过对其工作原理进行分析可知，影响滑翔机前进速度的因素主要有海面波浪的来流速度、浮体所受的浮力以及滑翔体自身的重量，其中后两者主要取决于系统本身的设计参数。本文利用Fluent仿真软件[2]主要对第一个影响因素——海面波浪的波高进行定量分析，得出波高对波浪滑翔器运动的影响机理,为翼板的优化设计提供数据基础和设计参考[3]。
中国劳动和社会保障部1.1 湍流的基本方程
牵引机拉着翼板做上下起伏运动，为了方便计算，将该模型简化为翼板静止在从下往上的均匀来流中。设置流体密度ρ=998 kg/m3,运动粘性v=1×10-6m/s,流动为湍流，流体不可压缩。流动状况符合Navier-Stokes方程，以下方程是在Reynolds时均情况下的N-S方程，简称RANS方程，即雷诺时均方程[4]。
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GOLDEN COCK湍流运动的连续方程为：
动量方程为：
式中：ρ为流体密度；p为在整个研究过程中压力的平均值；为在研究过程中速度脉动乘积的平均值；Si表示广义源项。
1.2 k-ε方程
在Fluent软件中，k-ε模型适用范围广、经济、有合理的精度，它又包括了Standard,RNG,Realizable k-ε模型[5]，本文采用的湍流模型为标准（Standard）k-ε模型。该方程是由W.P.Jones和B.K.Launder于1972年提出的两方程湍流模型，是基于实验现象的半经验方程[6]。在该模型中，k和ε是两个基本未知量，其中k表示湍动能，ε表示湍能耗散量，对应的输运方程为：
式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能；Gb是由浮力引起的湍动能；YM是可压湍流中的脉动扩张；σk和σz是湍动能和耗散量对应的常数；Sk和Sε是自定义的源项；C1ε，C2ε，C3ε 是常数。
通过这组方程,RANS方程得以封闭。它基于对湍流过程的假设,借助经验常数或函数,建立高阶湍输运项与低阶湍输运项直至与平均流之间的某种关系。
1.3 SIMPLE算法
本文用Semi-implicit method for pressure-linked equations算法（简称SIMPLE算法）进行压力速度耦合。SIMPLE算法自1972年由Pantankar与Spalding提出以来，在世界各国计算流体力学及计算传热学界得到了广泛的应用，利用此算法，将湍流的动量方程离散为：
将压力散度 δpm/δxi和源项进行显式处理，得：
然后对进行修正，使其满足将以上方程代入湍流连续性方程，得到压力修正方程：
将修正后的速度和压力代入显式进行计算，直到满足收敛条件。通过SIMPLE算法在所划分的网格基础上计算压力场，进而求解动量方程。
2 数值模型建立
计算域越大，计算精度越准确，计算量越大，反之则计算量较小但计算精度较差。考虑到
计算精度和计算量的影响，翼板弦长为c，将计算域设置为边长为20 c的正方形。小图1、2为翼板边界部分放大图，将翼板边界附近网格加密，保证计算结果的准确性。边界条件如图1所示，下边界为速度入口，上边界为自由出口，左右两侧为固体界面。根据实际测量经验，给定从下往上的来流速度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 和 1(单位：m/s)，得到一系列水动力系数，根据公式M=0.5ρv2ALCM，算出翼板所受实际扭矩,其中密度ρ=998 kg/m3,v的参考值为1 m/s,A为参考面积，取值为1 m2，L为翼板的展长，实际测量值为0.6 m，CM为扭矩系数。
图1 网格边界条件差生转化
3 翼板受力分析
翼型即滑翔机机翼的横截面形状。波浪滑翔器工作时，机翼会交替上下摆动，迎角会出现不断的正负交替，为了保证在平衡位置两侧都有良好的性能表现，本研究采用NACA0012翼型。NACA翼型是美国国家航空咨询委员会（NACA）开发的一系列翼型。每个翼型的代号由“NACA”这四个字母与一串数字组成，将这串数字所描述的几何参数代入特定方程中即可得到翼型的精确形状。NACA0012中12代表翼型的相对厚度是12%，相对弯度和最大弯
度位置都是0。翼板在水中的受力分析如图2所示。
图2 翼板在水中的受力分析
弹簧的作用是当翼板受到水动力产生的扭矩时，弹簧拉力使翼板复位防止翼板翻折。其中C点为翼板旋转中心，B点为弹簧拉力作用点，A点固定在潜体上。L为翼板所受升力，D为阻力。实际LAC=190 mm，LBC=40 mm,则弹簧原长AB=150 mm。采用整体法将翼板所受的升力、阻力、弹簧拉力进行分析，对C点取矩，如果要使翼板保持平衡，则水动力对翼板的力矩与弹簧对翼板的力矩MT大小应该相等。根据三角函数定理：
