馮冠華，李智剛，馮迎賓，梁洪光，程陽銳，吳東華

(1. 沈陽理工大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3. 長沙礦治研究院有限責任公司 深海礦產資源開發(fā)利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

多金屬結核概念車浮游體的外形設計及阻力特性分析

馮冠華1，李智剛*2，馮迎賓2，梁洪光2，程陽銳3，吳東華3

(1. 沈陽理工大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3. 長沙礦治研究院有限責任公司 深海礦產資源開發(fā)利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

針對深海采礦實際需求，提出將集礦車上的液壓站與集礦車分離，設計成相對獨立、懸浮于集礦車前部上方的浮游體。設計了多金屬結核概念車浮游體(以下簡稱浮游體)外形，并利用三維設計軟件SolidWorks建立了其三維幾何模型。在此基礎上，對幾何模型進行簡化處理，建立了浮游體流體動力學計算模型。利用流體動力學仿真分析軟件ANSYS CFX，采用雷諾時均算法(RANS算法)和兩方程的k-ε湍流模型，得到了不同工況的阻力數(shù)據(jù)。采用Matlab曲線擬合功能，研究了浮游體阻力特性，驗證了外形設計方案的可行性。

深海采礦；浮游體外形；流體動力學仿真分析；阻力特性

0 引言

隨著陸地礦產資源的逐漸枯竭和人類對金屬資源需求的日益增加，海底礦產必將成為21世紀的重要資源[1]。但是這些海底礦產大都存在于深海，必須依靠深海采礦裝備——集礦車對其進行開發(fā)，集礦車設計的好壞將直接影響深海采礦的成敗。在深海采礦過程中，集礦車要具有適應深海惡劣環(huán)境和海底地貌變化、連續(xù)無故障作業(yè)、越障越溝、保證采集率和不給深海生態(tài)環(huán)境帶來過度破壞等能力[1-3]。

液壓站是集礦車的重要組成部分，其在整個車體中的具體位置如何布置，并不影響其功能的實現(xiàn)。但液壓站的體積和重量較大，會影響集礦車整體布局，增加整車重量，使集礦車結構復雜化，拆卸維修困難，且增加整車能耗。另外，液壓站工作時會產生強烈震動，嚴重影響集礦車導航控制系統(tǒng)的正常工作。

本文正是綜合考慮以上因素，提出將液壓站從集礦車中分離出來，將液壓站設計成一個相對獨立于集礦車、懸浮于集礦車前部上方的浮游體。采用懸浮液壓站技術，一方面能縮小集礦車體積、減輕整車重量，便于集礦車整體優(yōu)化布局，提高其在海底稀軟底質上的行走能力；另一方面浮游體作業(yè)時懸浮于集礦車的前部上方，能有效擴展監(jiān)控范圍，保證集礦車作業(yè)過程的安全。本文借助計算流體動力學仿真分析軟件ANSYS CFX對浮游體的阻力特性進行了數(shù)值仿真研究。

1 浮游體外形設計

多金屬結核概念車浮游體(以下簡稱浮游體)主要組成部分包括：水下電機、液壓泵、儲油艙、補償器、推進器、電子艙、框架、攝像機及其他傳感器等。先根據(jù)集礦車對液壓系統(tǒng)的具體需求，確定液壓站尺寸、重量等參數(shù)。再根據(jù)對浮游體的作業(yè)深度、巡航速度、承載能力、總重量和最大尺寸范圍等參數(shù)的具體要求，設計浮游體的各部分外形并整體布局，確保滿足其所需要的運動能力和穩(wěn)定性[4]。設計的多金屬結核概念車浮游體參數(shù)為：長度2 419 mm、寬度1 340 mm、高度1 487 mm、重量(空氣中)1 500 kg、排水量1 328 L和穩(wěn)心高11 mm。建立的多金屬結核概念車浮游體幾何模型如圖1所示。

圖1 多金屬結核概念車浮游體幾何模型Fig.1 Geometric model of floating body for polymetallic nodule concept vehicle

2 流體動力學理論分析

浮游體整體外形結構，決定其工作時表面的流場。采用CFD(計算流體動力學仿真分析)軟件ANSYS CFX來研究浮游體阻力特性，其數(shù)值仿真計算效率和準確度較高，可以滿足設計要求。計算流體動力學仿真軟件ANSYS CFX是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬，其采用有限體積法對控制方程和計算區(qū)域進行離散，添加邊界條件后求解。本文計算數(shù)學模型采用工程湍流數(shù)值計算中最為廣泛的雷諾時均算法(RANS算法)和兩方程的k-ε模型，其中k是湍流動能，ε是湍流耗散率[5]。

雷諾時均RANS方程組為：

(1)

兩方程的k-ε湍流模型為：

(2)

上式中湍流動能生成項為：

(3)

(4)

在兩方程的k-ε湍流模型中，湍流黏性系數(shù)定義為：

(5)

兩方程k-ε湍流模型系數(shù)為：

Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

3 流體動力學計算分析

首先，在完成多金屬結核概念車浮游體整體結構設計的基礎上，確定其流域范圍，同時利用三維設計軟件SolidWorks進一步分析、簡化已建立的浮游體幾何模型，建立浮游體流體動力學計算模型。然后，將浮游體流體動力學計算模型導入到網格劃分軟件ANSYS ICEM CFD中生成網格，利用計算流體動力學軟件ANSYS CFX分析得到浮游體流體動力學模型。最后，進一步計算得到浮游體阻力等數(shù)據(jù)，并采用Matlab曲線擬合功能，得到浮游體相應的阻力系數(shù)Cd曲線，并研究其阻力特性。

3.1 網格生成

根據(jù)浮游體整體外形尺寸，取流域的長、寬、高為浮游體本體長、寬、高的5倍并取整，最終確定計算流域為長12 000 mm、寬7 000 mm、高7 000 mm的長方體域。利用SolidWorks對浮游體整體外形進行適當簡化，以浮游體幾何模型的重心為原點建立坐標系，建立流體動力學計算模型，如圖2所示。根據(jù)浮游體已有的各個局部尺寸，同時考慮后續(xù)網格劃分計算時間和精度等，將流體動力學模型分為IN、OUT、WALL、BIGBODY、MIDBODY、SMALLBODY和RING七個Part，各個Part的意義如表1所示。

圖2 流體動力學計算模型Fig.2 Computational model of fluid dynamics

表1 各個Part的意義Tab.1 Meaning of parts

采用ANSYS ICEM CFD軟件的非結構自動體網格生成技術，定義全局網格參數(shù)，即設置全局網格比例尺(Scale factor)為1.0，最大網格尺寸(Max element)為400.0。定義全局殼網格參數(shù)，即網格類型和網格生成方法分別為Quad Dominant和Patch Dependent。定義全局體網格參數(shù)，即網格類型和網格生成方法分別為Tetra/Mixed和Robust(Octree)。定義全局棱柱網格參數(shù)，即設置生長方式(Growth law )為exponential，初始高度(Initial height)為0.1，高度比(Height ratio)為1.2，邊界層數(shù)(Number of layers)為3層。為了保證計算精度，同時又減少網格規(guī)模，提高數(shù)值計算效率，不同Part上定義了不同的最大網格尺寸，如表2所示。

表2 各個Part的網格尺寸Tab.2 Mesh size for parts

在定義網格參數(shù)基礎上，生成網格，如圖3所示。網格質量如圖4所示，網格質量都大于0.2，滿足后續(xù)計算要求。

圖3 生成網格Fig.3 Generated mesh

圖4 網格質量Fig.4 Mesh quality

3.2 流體動力學計算分析

流體動力學數(shù)值計算及后處理采用仿真軟件ANSYS CFX，在前處理中定義邊界條件時，保持浮游體本體在流域中的位置不變，而改變流域的朝向[6]，如圖5所示。

圖5 計算流域示意圖Fig.5 Sketch map of computational basin

流域入口按照速度邊界條件[7-8]，即按照攻角及漂角進行取值：

(6)

其中，Vin是入口處來流速度，α是攻角，β是漂角。

流域出口按照壓力邊界條件，即取相對靜壓值為零。流域側壁按照自由滑移壁面邊界條件，而浮游體本體表面按照無滑移壁面邊界條件。

設定各個參數(shù)的收斂殘差值Residual Target為1.0E-4。設置最大迭代次數(shù)Max. Iterations為80，迭代將近60步后計算結果開始收斂，圖6所示為浮游體流體動力學計算殘差變化情況，可以判斷計算結果已經收斂。最終計算得到了浮游體在每個攻角(分別為0°、±2°、±4°、±6°、±8°和±10°)下不同速度(1～6 kn)時的阻力及阻力矩數(shù)據(jù)，共66組數(shù)據(jù)。

圖6 計算殘差變化情況Fig.6 Variation of residual

3.3 阻力特性分析

在研究浮游體阻力時，分為主體部分和附屬體部分。浮游體主體部分阻力包括摩擦阻力、形狀阻力和興波阻力。通常把附屬體部分阻力的摩擦阻力計入到主體的摩擦阻力中，剩余的阻力作為一項，為附體阻力[9-10]。浮游體水下航行的總阻力為：

R=RF+RX+RW+RAP

(7)

其中：RF是摩擦阻力，RX是形狀阻力，RW是興波阻力，RAP是附體阻力。

本文所設計的浮游體在水下航行時，其工作深度超過三分之一總長，浮游體的興波阻力幾乎為零，故不考慮其興波阻力，則浮游體水下航行時的阻力主要由摩擦阻力、形狀阻力和附體阻力三部分組成。即：

R=RF+RX+RAP

(8)

上式中摩擦阻力和形狀阻力分別為：

(9)

(10)

其中：ρ是海水密度；V是浮游體速度；S是浮游體浸濕表面積；(CF+ΔCF)是摩擦阻力系數(shù)，CF是光滑平板的摩擦阻力系數(shù)，ΔCF是粗糙度附加增量；CE是形狀阻力系數(shù)。

將附屬體部分的阻力并入到形狀阻力中去，主要從摩擦阻力和形狀阻力計算分析浮游體阻力特性。此時浮游體水下航行的總阻力R為：

(11)

其中：Cd為阻力系數(shù)。

可得到阻力系數(shù)Cd定義如下：

(12)

利用通過仿真分析軟件ANSYS CFX得到的阻力數(shù)據(jù)，采用Matlab最小二乘法擬合，并結合上述阻力系數(shù)Cd的定義，得到了不同攻角工況下阻力系數(shù)Cd計算結果，并擬合出阻力系數(shù)曲線，如圖7所示。

圖7 阻力系數(shù)曲線Fig.7 Drag coefficient curve

通過不同攻角工況下阻力系數(shù)曲線圖可以看出，在正攻角工況下，阻力系數(shù)Cd隨攻角的增加而減少。而在負攻角工況下，阻力系數(shù)Cd隨攻角絕對值的增加而增加。盡管阻力系數(shù)Cd隨攻角的變化而增加或減少，但阻力系數(shù)變化幅度都很小，這一點從圖8和圖9的兩種攻角工況下浮游體表面壓力云圖得到了驗證。浮游體表面壓力分布對其攻角的改變不敏感，說明本文設計的浮游體整體外形滿足設計需求，驗證了外形設計方案的可行性。

圖8 0°攻角工況下浮游體表面壓力云圖Fig.8 Pressure contour of the surface of floating body at the angle of attack 0°

圖9 -6°攻角工況下浮游體表面壓力云圖Fig.9 Pressure contour of the surface of floating body at the angle of attack -6°

4 小結

本文針對深海采礦實際需求，提出了一種新的設計思路，將液壓站分離出來設計成獨立的浮游體，浮游體與集礦車協(xié)同工作，使深海集礦車獲得了更好的穩(wěn)定性及操縱性，提高采集率。運用SolidWorks完成了多金屬結核概念車浮游體外形設計，建立了其流體動力學計算模型。借助ANSYS CFX軟件，對浮游體進行了流體動力學仿真分析，模擬了其在攻角為0°、±2°、±4°、±6°、±8°、±10°和速度為1～6 kn工況下的水動力性能，并進一步研究了浮游體的阻力特性，得知本文設計的浮游體表面壓力分布對其攻角的改變不敏感。驗證了外形設計方案的可行性，為浮游體下一步控制策略研究提供了重要依據(jù)，并為未來深海集礦工程實際應用打下了基礎。

致謝 感謝中國科學院沈陽自動化研究所及長沙礦治研究院責任公司給予項目經費資助，并在整個研究過程中提供實驗室及實驗設備等；感謝陳質二博士及王亞興博士在整個仿真實驗過程中給予指導及建議；感謝張洪彬碩士在論文選題、構思及撰寫過程中給予指導及建議。

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The contour design and analysis for drag characteristic of floating body for polymetallic nodule concept vehicle

FENG Guan-hua1, LI Zhi-gang*2, FENG Ying-bin2, LIANG Hong-guang2, CHENG Yang-rui3, WU Dong-hua3

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China; 2.StateKeyLaboratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China; 3.StateKeyLaboratoryofExploitationandUtilizationofDeep-SeaMineralResource,ChangshaResearchInstituteofMiningandMetallurgyCo.Ltd.,Changsha410012,China)

Aiming at the practical demand of deep ocean mining, the hydraulic station on the nodule collector was proposed to separate from the nodule collector and hydraulic station was designed as a floating body, relatively independent and suspended above the front of the nodule collector. Contour of floating body for polymetallic nodule concept vehicle (referred to as floating body) was designed, and its 3D model was established adopting SolidWorks. The hydrodynamic and computational model of the floating body was established, after simplifying the 3D model. Reynolds average navier-stokes algorithm (RANS algorithm) and turbulence model were applied, and drag data under the condition of different working conditions was obtained adopting fluid dynamics simulation and analysis software ANSYS CFX. Drag characteristic of floating body was studied adopting curve fitting function of Matlab, and the feasibility of contour design was verified.

deep ocean mining; contour of floating body; fluid dynamics simulation and analysis; drag characteristic

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.010.

2015-12-03

2017-01-09

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目資助(2012AA091201)

馮冠華(1991-)，男，河南淇縣人，主要從事水下機器人水動力分析以及載體技術研究。E-mail:fengguahua@sia.cn

*通訊作者：李智剛(1970-)，男，研究員，主要從事水下機器人控制系統(tǒng)研究、動力傳輸及保護技術研究、產品開發(fā)及工程化。E-mail:lzg@sia.cn

TP242.3

A

1001-909X(2017)01-0080-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.010

馮冠華，李智剛，馮迎賓，等.多金屬結核概念車浮游體的外形設計及阻力特性分析[J].海洋學研究,2017,35(1):80-85,

FENG Guan-hua, LI Zhi-gang, FENG Ying-bin, et al. The contour design and analysis for drag characteristic of floating body for polymetallic nodule concept vehicle[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):80-85, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.010.