【论文推荐】水下探测机器人前缘减阻仿生造型设计

水下机器人应用前景广阔,已成为国内外科研机构重点关注的研究领域。现有水下机器人主要分为载人水下机器人(humanoccupiedvehicle,HOV)、遥控型水下机器人(remotelyoccupiedvehicle,ROV)和自主型水下机器人(autonomousunderwatervehicle,AUV)。其中,AUV体积小,作业范围广,智能化水平高,运动灵活自如,常用于水下探测和科学考察。探测型水下机器人性能虽较为完善,但仍存在阻力大、机动性弱、转弯不灵活、驱动器噪声大及干扰环境等问题。其中,阻力过大将增加能耗,减小速度,降低稳定性,缩短续沉时间,影响航行效率，因此,减小水下机器人运行中的明力成为沂年来国内外的研突热点。水下机器人在航行讨程中学到的明力丰要句括摩擦阻力、压差阻力和兴波阻力。摩擦阻力占水下机器人航行总阻力的50%~80%,是减阻研究的重点。目前,针对摩擦阻力最有效的减阳技术包括主动和被动两种。相对于主动减阳技术,非光滑表面和外形减阻等被动减阻技术的减阻效率更高。Wang等提出一种微纳尺度嵌套沟槽表面结构,用于水下航行器表面减阻,比传统的沟槽表面减阻性能提高18.76%;张春来等四将沟槽微结构与疏水表面两种典型的减阻技术进行协同制造,制得的沟槽型复合结构表面在沿垂直于沟槽方向运动时最大减阳率可达20.82%;包海默等模仿粒突箱鲀对水下捕捞机器人的耐压舱进行整体造型设计,结果表明,仿生耐压舱的阻力系数更小,能有效降低流场扰动;Yan等模仿鲨鱼头部造型设计了3种用于减小水下航行阻力的整流置装置,试验表明,减阻系数可减小23%。

然面,以上两种减阻技术虽各有优势,但非光滑表面微结构的制造工艺较复杂,而外形减阻技术在设计和加工上更有优势。同时,以传统水动力学原理为基础的减阳技术研究已达到瓶颈,仿生设计作为一种新的视角和技术方法正在成为减阻领域的研究热点。文中通过对比分析不同类型双罟量头部造型特征,构建并改进水下机器人前缘三维模型,通过流体仿真试验,探讨仿生形态对水下机器人减阻性能的影响规律。

（一）仿生对象选取及分析

双髻鲨是脊索动物门软骨鱼纲真鲨目双髻鲨鱼类的统称,最大特征在于头的前部为扁平状,纵截面为弧形翼状,向两侧扩展形成锤状突出,整体呈丫髻状。独特的头部造型配合流线型躯干,可更有效地减小游动中的阻力。常见的双髻鲨有路氏双髻量、无沟双髻量、锤头双髻鲨、窄头双髻鲨、丁字双髻鲨等。其中,锤头、路氏和无沟双髻鲨的头部纵横比大致相同,丁字双髻鲨头部纵横比较小,窄头双髻鲨头部纵横比较大。锤头、窄头和丁字双髻鲨的头部前缘为光滑曲线,无缺口和凹凸波浪起伏,无沟双髻鲨前缘中央有缺口,路氏双髻量前缘有缺口,且呈波浪状,如图1所示。

（二）仿生对象轮廓特征提取

选择CannySobel Scharr和Laplacian共4种不同边缘提取算子对窄头、锤头和丁字双髻鲨的头部灰度图片进行边缘提取测试,结果如图2所示。对比分析发现,Sobel边缘检测算子的图像处理结果较好,边缘清晰,噪点少,最终选择该边缘检测算子提取的边缘结果。

考虑到窄头、锤头和丁字双髻鲨的头部横纵比差异较大,而锤头、路氏和无沟双髻鲨的头部纵横比基本相同,但光滑程度不同。因此,需基于纵横比和光滑度两种边缘轮廓构建前缘模型。

（三）仿生对象不同纵横比前缘模型构建

直接提取的边缘轮廓线无法直接应用到实际设计中,需对提取的生物轮廓特征曲线进行坐标化处理,筛选和拟合有效特征点。截取窄锤头和丁字双警鲨头部边缘曲线拟合效果最好的部分,如图3所示。

根据对照试验的标准,将完成特征点拟合后的曲线等比例缩放,放置于50cmx50cm的正方形顶部。因双髻量的头部厚度与弦长比均约为0.22,三维模型的厚度可统一设置为11cm,纵向拉伸后获得3种双髻量前缘特征初步模型,如图4所示。

为得到头部前缘曲率对阻力的影响规律,再次对拟合后的曲线进行改进。在前缘曲线外作外接长方形,曲线左右两端的跨度为50cm,将其设置为长。将曲线最高点到下半部分长方形的距离设置为宽。在长方形内作内切平滑曲线,以宽和长之比表示曲率,得到窄头、锤头、丁字双髻鲨改进后的特征曲线的曲率依次为0.2,0.3,0.5。为获得完整连续的规律,添加曲率为0.4的曲线。纵向拉伸,获得优化后的连续曲率三维模型,如图5所示。

（四）仿生对象不同光滑度前缘模型构建

根据对照试验原则,将头部前缘纵横比近似,但光滑程度存在显著差异的锤头、无沟和路氏双髻量的前缘曲线等比例缩放,放置于50cmx50cm的正方形顶部,构建不同光滑度的双前缘三维模型,如图6所示。

相较于其他两种双髻鲨,路氏双髻鲨前缘凹凸转折数量最多且最粗糙。为进一步研究前缘弧线凸起转折数量对行进阻力的影响,对前缘凸起部分进行改进,找出起伏最大处曲线的内切圆，在前缘査曲纵横比相同情况下,表达连续光滑度的2~4组转折数量曲线和三维模型,如图7所示。

三、仿生前缘模型数值仿真模拟

（一）计算域网格划分

仿真试验的核心是通过建立合适的离散方程求解算法对试验流体域进行离散求解。为防止非光滑表面模型对流场的作用影响到其他部分,流场的长、宽、高应至少为仿真模型的20倍以上,最终将流场水域规格尺寸设置为长1800mm,宽1800mm,高1000mm,通过Space Claim工具建立外部流场模型,将仿真模型置于流场中心位置。预设模型运动轨迹由右向左,所以流场左侧几何面为水流入口,对应的几何面为出水口,4个侧面为壁面边界,仿真型与流场壁面间为流体水,

仿真模型周围采用非结构化网格划分,其他区域采用结构化网格划分。其中,结构化网格的单元网格尺寸为0.004mm,特征清除尺寸为0.001mm,局部最小尺寸为0.003mm。采用Skewness偏度作为评判标准,检査网格可发现,网格最大偏度为0.74986,平均偏度为0.22718,如图8所示。根据Fluent软件中偏度评价网格质量标准,最大偏度0.75以内可满足使用需求,将网格平均偏度设置为0.22718,整体质量可满足计算需求。

（二）流场数学模型选择

常用的湍流模型求解方法有RANS,LES和DNS[15]。其中,RANS模型使用条件要求低,且能准确描述湍流细节,应用更广泛。文中仿真试验中,由于流场进口的来流速度较小,属于低雷诺数范围。通过对比可发现,采用RNGk-ε模型可将微分黏性模型加入修改后的RANS模型中,从而得到更接近理论的计算值。因此,综合考虑流场性质和仿真计算精度,最终选择RNGk-ε湍流模型进行相关的仿真减阻试验研究。

（三）流场边界条件设置

将流场进口边界设置为流速入口。雷诺数Re是衡量流体流动稳定性的重要参数,为惯性力和黏性力之比,表达式为:

式中:ρ———流体密度;

V———特征速度;

L———特征长度;

μ———流体动力黏度系数。

流场中的流体密度、特征长度和流体动力黏度系数的数值均为定常数,由式(1)可知,雷诺数Re只与流体特征速度有关。文中研究重点是不同前缘造型的阴力差异,仿真试验遵循单一控制变量原则,流体特征速度需保持恒定。雷诺数达到临界值时对应的来流速度为1.01m∕s,仿真试验要求流场的雷诺数大于临界雷诺数,但小型试验水槽难以稳定产生超过3m∕s的水流速度,目速度过高时将出现流场不均匀湍流强度过大等问题,影响试验精度。因此,恒定来流速度区间应为1.01~30m∕s。当水流速度超过2m∕s时,仿真试验模型前缘产生的阻力差别较大。因此,来流速度设定为适合仿真试验的速度区间均值2.5m∕s,既符合机器人工作环境,也能保证试验效果的准确性。

将流场出口边界设詈为流速出口。计算域中水流为单向流动,目流场出口与仿真模型之间的距离较远,可避免回流,所以将流量比设为计算域周围边界条件设置为无滑移的物面边界。由于壁面与流体间无相对运动,所以将壁面上速度设置为0m∕s。

探测型水下机器人的工作环境为海洋湖泊,所以选择不可压缩流模型,求解器以压力基为依据,流场材料采用WaterLiquid,流体情况为非定常流动。仿真试验的计算初始条件参数设置如表1所示。

（四）仿真数值求解

由于每组模型所用的仿真流场模型、流场尺寸、网格规格、湍流模型等参数都相同。因此,以锤头双髻量的仿生模型为例进行仿真数值求解，将模型导入仿真流场后,监控(0,0,-1)方向上的阴力和阴力系数，当流场参数设罟完成后,将入口边界条件进行初始化处理,送代500步以上后,得到速度为2.5m∕s时各项残差值曲线,如图9所示。

由图9可看出X,Y和Z轴的速度残差均收敛于10^-5附近,湍流动能和湍流耗散率等各项残差收敛量均低于10^-3,最终达到收敛状态,可进行后续处理。

四、仿生前缘模型减阻性能仿真分析

（一）前缘模型不同曲率阻力数值分析

将图5中的连续曲率依次为0.2,0.3,0.4,0.5的4组模型导入Fluent求解器中,通过网格检测模块评估网格质量良好后,将4个模型放罟干参数已设置好的仿真环境中。仿真流场中的液体流速设置为2.5m,采用相同的计算过程和参数设置,对4个仿真模型的阻力系数和阻力进行迭代计算。最终得出在相同流速下不同模型的阻力系数和阻力,如表2所示。

对比分析图12可发现:

图10中,压力最大处集中于前缘中央位置。随曲率增加,前缘压力最大区域面积逐渐减少,前后压力差逐渐减少,所以压差阻力也逐渐减少。图11中,随曲率增加,模型周围流场受干扰的范围逐渐减少,模型周围涡旋面积逐渐减少,所以所受阻力也逐渐减少。图12中,流体在模型两侧形成低速区域。低速区域内物体所受的流体阻力更小,且处于此区域内的物体不会对周围流场造成明显干扰。

（二）前缘模型光滑程度阻力数值分析

为进一步研究锤头、无沟和路氏双髻鲨前缘光滑程度差异特征对阻力的影响,将3种模型分别导入同一参数的仿真环境中,进行相同迭代计算。结果表明,在相同流速下无沟双髻鲨的阻力最小,路氏双髻鲨在阻力方面与其相差不大,如表3所示。

为保障最终机器可在水下一定深度中进行作业,需对仿真模型进行压力分布测试。在压力数值方面,路氏双髻鲨的压差阻力最小。选取压差阻力最小的路氏双髻鲨模型进行优化,研究前缘弧线凸起转折数量对阻力的影响。对连续光滑度的2~4组转折模型进行仿真试验当阴力系数和阴力的选代曲线收敛后得到最终数值结果,如表4所示。分析可知,前缘3组转折仿真模型的阻力系数和阻力最小。对比仿无沟双髻鲨简易模型的阻力可得到相同规律,前缘转折数不超过3组时,阻力随转折数的增加而减少,当转折数超过3组后,阻力增加。

前缘3组转折的仿真模型在各项残差值都收敛后,得到压力云图、速度云图和速度散点图,如图13～图14所示。

图13中,压力最大处集中于前缘中央和凹陷处。随转折数增加,压力逐渐分散,凹陷处的最大压力面积逐渐减少。模型在水域中的前后压力差也随转折数增加而减少。

在图14a,14c和14e中,在一定速度范围内随前缘凸起数增加,模型周围流场受干扰的范围逐渐减少;但凸起数超过3组后,对周围的干扰范围逐渐增加。通过模型上下方涡旋面积可知,在一定范围内随前缘凸起数增加,涡旋面积逐渐减少,所受阻力也逐渐减少。在图14b,14d和14f中,仿真流场中的流体在每个模型两侧均形成低速区域。

（三）前缘模型最终改进

将前缘(曲率)和前缘光滑程度的仿真试验得到的阻力数据进行汇总,得到整体折线图,如图15~图16所示。在图15中,以锤头双髻鲨为仿生对象的模型阻力最小,在优化组仿真模型中,阻力随曲率的增加而减少。在图16中,以无沟双髻鲨为仿生对象的模型阻力最小,路氏双髻鲨与其阻力相差不大。结合改进组仿真模型可得,在一定范围内,随前缘转折数增加阻力逐渐减少;当前缘转折数超过3组后,阻力增加

由于双髻鲨的侧面为弧形翼状,根据仿真试验所得出的造型规律,综合考虑头结构的内部空间,改进模型侧面造型将最终改进的模型和改进前的简单模型分别置于试验条件相同的长方体流场中。仿真试验对比得出两个模型在2.5m流速下的阻力系数和阻力,如表5所示,改进后的前缘模型阻力系数和阻力更小。

图17为对两个模型后处理后的流速云图和压力云图。由图17a和图17b中可看出,最终改进模型尾迹面积更小,所以在运动过程中的阻力更小。由图17c和图17d中可知,压力最大处集中于前缘中央位置,最终改进的模型最大压力面积减小,压差阻力减小,利于减小机器航行过程中的总体阻力,符合减阻的设计要求。

（四）总体造型设计

根据仿真试验结果,对探测型水下机器人的总体造型进行设计,前缘造型采用仿真试验中阻力最小的模型,整体外形则参照流线型减阻造型,尾部为主要驱动装置,如图18所示。

五、结论

以减阻为设计目标,对水下探测机器人的前部造型进行仿生设计研究。采用Sobel边缘检测算子提取双髻鲨轮廓特征,构建参数化前涿程型。通过CD仿真试验,计算特定流速下前家曲率及光滑程度对阴力和阴力系数的影响。结果表明,在2,.0的流速下,明方和明力系数随前缘曲率的增大而减小,前缘曲率为0.5时,阻力和阻力系数最小。一定范围内,阻力和阻力系数随前缘凹凸转折数量的增加先减少后增大,转折数为3组时最小。以上规律对探测型水下机器人前部造型的减阻和优化设计具有一定的理论支撑和指导意义。文中仅采用仿真试验的方式探讨了在适合条件流速下,水下机器人前缘造型曲率和光滑度在一定范围内的变化对其减阻性能的影响规律。下一步将继续结合实体样机展开进一步研究,与仿真试验结果进行对比分析,更深入研究前缘造型变化对减阻的影响规律。同时,文中虽考虑压差阻力因素,但未结合材料和壳体厚度进行综合探究。未来可结合有限元分析法对水下机器人的前缘结构的强度和厚度设计进行深入探究。

六、参考文献

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