石欣平，肖 莉，張尚盈,2※

（1.武漢工程大學機電工程學院，武漢 430205；2.武漢譽瓊科技有限公司，武漢 430205）

0 引言

水陸兩棲機器人能夠代替人類完成陸地及水下等復雜環(huán)境中的偵查、勘探等任務，需要具備靈活、小巧的特點以及優(yōu)越的通訊和續(xù)航能力[1]。兩棲機器人的續(xù)航大多采用自身攜帶能源的方式，其中包括一次電池、二次電池、燃料電池及熱機等[2]。這種續(xù)航方式往往會增加機器人的體積與負重，降低機器人的運動敏捷性，且這種方式可利用的能源十分有限，往往無法實現(xiàn)在較深水域的長時間勘探工作。某大學研制的AQUA系列兩棲六足機器人，其自身攜帶的鎳氧電池僅可以維持不間斷操作2 h[3－4]；Eric Stackpole與David Lang推出的用于水下攝影的機器人Open ROVs，其采用的鋰電池可以為自身續(xù)航3 h。未來，兩棲機器人的續(xù)航能力將是影響其綜合性能的關鍵因素。國內(nèi)某研究所通過采用多孔介質(zhì)材料作為耐壓殼體的表層，降低了航行阻力，使自主水下機器人在外形和電池容量不變的情況下提高了續(xù)航能力[5]。

利用海洋自然環(huán)境條件[6]，針對可下潛1 000 m海洋中長時間工作的水陸兩棲機器人，本文設計了一種可以為機器人續(xù)航的海流能發(fā)電渦輪結構。選取了某經(jīng)典系列翼型中的幾種不同翼型進行了動力特性的分析，分析了葉片數(shù)量與輪式結構對海流發(fā)電渦輪輸出功率的影響。

1 渦輪翼型選取

1.1 渦輪翼型特征

為了得到更高輸出功率的海流能發(fā)電渦輪，需選取升阻比較大的翼型進行渦輪建模[7－8]。NACA 6系列翼型是某系列經(jīng)典翼型，是具有較高的最大升力系數(shù)的一類層流翼型，這類翼型在一定升力系數(shù)范圍內(nèi)具有低阻力特性，在非設計工況下也具備較好的性能[9]。在NACA 6系列翼型中，63、64、65三種翼型具有不同的厚度分布，其厚度分布使0升力下的最小壓力位置分別在弦長的0.3、0.4、0.5處，翼型數(shù)據(jù)顯示，在低雷諾數(shù)流動中，63系列翼型具有更加優(yōu)秀的動力特性。

故選取相對厚度相同的NACA 63系列中的63－215、63－415、63－615翼型進行特征比較，如圖1所示。這3種翼型的設計升力系數(shù)分別為0.2、0.4、0.6，不同的設計升力系數(shù)導致翼型相對彎度也有所不同，設計升力系數(shù)越大的翼型，其相對彎度越大。

圖1 不同設計升力系數(shù)的翼型幾何特征

1.2 渦輪翼型動力特性分析

將翼型坐標導入ICEM進行計算域及網(wǎng)格的劃分，如圖2所示。C為翼型弦長100 mm，計算域邊界AFE、DE的邊界條件為速度入口，流速為1.5 m/s，邊界AB、BD的邊界條件為壓力出口，翼型airfoil的邊界條件為壁面，生成網(wǎng)格數(shù)量為61 686，且網(wǎng)格經(jīng)過獨立性檢驗，質(zhì)量良好。

圖2 計算域網(wǎng)格

SST k－ω模型具備k－ω模型近壁區(qū)的計算優(yōu)點以及標準k－ε模型遠場計算的優(yōu)點，同時，模型中的湍流黏度考慮了湍流剪切應力的傳遞過程，更適用于翼型的計算。故本文采用SST k－ω模型進行數(shù)值模擬，得到的各翼型不同攻角下的升阻力系數(shù)比，如圖3所示。由圖可以看出NACA 63－615翼型具備較高的升阻比，當攻角α＜6.5°時，翼型升阻比隨著攻角的增大而穩(wěn)步增大；當攻角α＞6.5°時，翼型升阻比隨著攻角的增大而減小，因此，該翼型的最佳攻角為6.5°。

圖3 翼型升阻比

2 渦輪結構的優(yōu)化設計與建模

2.1 葉片的優(yōu)化設計與建模

根據(jù)Wilson優(yōu)化設計理論[10－11]，現(xiàn)將葉片分為多個微元，并引入普朗特葉尖損失修正參數(shù)F，可表示為：

其中，f為中間變量，可表示為：

式中：B為葉片數(shù)量；R為葉輪半徑，取0.12 m；r為微元處半徑；φ為入流角。

引入葉片軸向誘導因子a；周向誘導因子b，兩變量關系為：

且有功率系數(shù)CP：

式中：λ0為葉輪葉尖速比；λi為半徑r處葉素的葉尖速比。

以式（4）為目標函數(shù)，式（1）～（3）為約束方程通過最優(yōu)化函數(shù)fmincon求解各葉素弦長C及扭角β并進行修正，其設計流程如圖4所示。

圖4 葉片設計流程

以原始翼型動力中心（弦線上距離翼型前緣1/3處）為原點進行坐標變換，具體變換公式如下：

式中：C0、X0、Y0為原始翼型的弦長與坐標參數(shù)。

根據(jù)變換后的翼型坐標參數(shù)可得到各葉素與葉片的模型如圖5所示。

圖5 葉素與葉片模型

2.2 渦輪輪周的優(yōu)化設計與建模

為了減輕外緣輪周的重量并降低卡門渦街效應的影響，將輪周的截面形狀進行優(yōu)化，如圖6所示，將豎直端面用1/4橢圓代替，該橢圓的長半軸為15 mm、短半軸為10 mm。

圖6 輪周截面形狀

根據(jù)參考文獻[12]，3～5葉片中低速葉輪的葉尖速比一般為2～4，這里取葉尖速比為3，建立3～5葉片的海流發(fā)電渦輪模型如圖7所示。

圖7 海流發(fā)電渦輪模型

3 海流發(fā)電渦輪動力特性分析

采用MRF（多重參考）模型進行數(shù)值模擬，將計算域劃分為外部靜止域與內(nèi)部旋轉域兩個區(qū)域[13]，具體劃分情況及邊界命名情況如圖8所示，其中D為海流發(fā)電渦輪直徑260 mm。對內(nèi)外兩個流體域均進行非結構網(wǎng)格的劃分，生成100萬網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好且經(jīng)過獨立性檢驗。

圖8 計算域劃分及邊界命名

設置靜止域入口處inlet邊界條件為速度入口，流速為1.5 m/s，出口處outlet邊界條件為壓力出口，外部wall＿out邊界條件為壁面，靜止域與旋轉域的交界面為interface，旋轉域沿Y軸方向逆時針旋轉，轉速為358 r/min，海流發(fā)電渦輪外表面wall＿in邊界條件為壁面，其運動狀態(tài)與旋轉域保持相對靜止。采用在旋轉流計算中，計算結果更符合真實情況的Realizable k－ε模型進行計算，結果如表1所示，四葉片海流發(fā)電渦輪具有最大輸出功率。

表1 數(shù)值模擬結果

功率公式：

式中：Cp為四葉片海流發(fā)電渦輪的捕能系數(shù)，代表該結構捕獲能量效率的高低；ρ為海水密度，取1 025 kg/m3；A為葉片掃掠面積；v為海流速度，取1.5 m/s。

經(jīng)計算可得捕能系數(shù)Cp＝0.290，接近橫軸水輪機的平均捕能系數(shù)0.3，該結果表明，海流發(fā)電渦輪結構的捕能效率良好。

圖9所示為海流發(fā)電渦輪的速度云圖以及葉片表面所受壓強的分布情況，迎流面靠近葉尖處有壓強最大值，背流面靠近葉尖處有壓強最小值，這表明葉片葉尖處的壓差值最大即海流發(fā)電渦輪的動力主要來源于葉尖。此外，湍流主要分布在渦輪背流面的葉根及輪周邊緣處，通過圖9（a）與（b）的對比，可以看出優(yōu)化后的外緣輪周處湍流明顯減少，海流發(fā)電渦輪的輸出功率得到了明顯提高。

圖9 速度云圖與壓強分布

4 結束語

本文針對水陸兩棲機器人的水下續(xù)航問題，將兩棲機器人水下發(fā)電結構與陸地行進結構合二為一進行了優(yōu)化設計，提供了一種新的解決方案。通過Wilson優(yōu)化設計理論，求得了各葉素弦長與扭角的最優(yōu)解，對各葉素弦長與扭角曲線的擬合與修正，以及對原始翼型坐標的變換，得到了動力特性優(yōu)良的葉素單元及葉片模型，對輪周截面形狀的優(yōu)化，大大降低了卡門渦街效應的影響。仿真結果表明，該海流發(fā)電渦輪結構具有較高的輸出功率，捕能效率良好，能夠提高水陸兩棲機器人在水下工作時的續(xù)航能力。