基于流体-多体耦合动力学的波浪滑翔机运动性能研究

Wave glider can be used as an mobile observation platform to monitor the ocean environment in long time and large range. It can be the important component for the 3D ocean observation system. However, there are much unknown factors that affect the motion performance. The fluid-multibody interaction dynamics of wave glider is studied and the relationship between wave parameters, design parameters and propulsion property is analyzed. Some measures are carried out to improve the propulsion performance of wave glider. In this program, by applying Kane equation, multibody model of wave glider including surface floating body, submersible propulsion mechanism and connected cable is developed considering the hydrodynamic force. The different contributions of environment and design factors on motion performance of wave glider are investigated based on the motion equations. The interaction dynamics of hydrofoil of propulsion mechanism among fluid environment is studied based on fluid-multibody coupling analysis method. Based on the analysis, the passive and active control of hydrofoil are carried out to improve its propulsion performance. Through above research work, the effects on propulsion performance of wave glider of wave parameters, design parameters are discovered. The work provides the basis for design and motion control of wave glider.

波浪滑翔机可以利用波浪能实现长时间远距离的海洋环境监测，是构建海洋立体观测系统重要组成部分。如何提高波浪的利用效率、改进波浪滑翔机的推进性能尚有很多未知因素。本项目对波浪滑翔机的流体-多体耦合动力学进行研究，采用控制推进机构翼片运动的方法实现提升波浪滑翔机运动性能的目标。本项目在浮体和水下推进机构水动力学分析的基础上，采用Kane方程建立考虑水面浮体、连接缆索、翼片/恢复弹簧等部件的波浪滑翔机的多体动力学模型，模拟波浪滑翔机的推进性能，分析波浪能对各组成部分的运动状态的贡献程度；基于流体-多体耦合分析方法，对推进机构翼片和流体之间的相互作用进行研究，研究翼片运动对系统推进性能的影响机理；分别通过翼片恢复弹簧设计和实时控制翼片的摆动角度对翼片运动进行被动和主动控制以改进推进性能。通过上述研究，揭示波浪参数、波浪滑翔机的结构参数等与推进性能之间的内在联系，为波浪滑翔机的设计提供理论依据。

本项目基于流体-多体耦合动力学方法对波浪滑翔机的动力学性能和动态设计方法进行了研究。基于多体动力学模型对水下推进机构的推进机理进行了研究，通过研究波浪滑翔机水面浮体和水下推进机构的水动力学分析，得到了波浪激励下波浪滑翔机的推进性能和推进机构的运动情况，建立了推进性能与运动参数的内在关系，推进机构水翼摆动最优转角的理论公式；融合计算流体力学和多体动力学建模方法，给出了波浪滑翔机流体-多体耦合动力学分析框架，通过对流体-多体耦合动力学模型的求解能够得到符合实际工况较准确的动态响应，揭示了推进机构运动与环境参数与设计参数之间的相互作用机理，分析了波浪参数，如波高、波浪周期以及结构参数，对推进机构推进性能的影响，得到了不同波浪条件下的最优水翼转角以及水翼恢复刚度，着重研究了水翼恢复弹簧非线性刚度的对波浪滑翔机推进性能的影响，得出了经过合理设计非线性刚度可以有效改进不同波浪条件下的推进性能。基于水翼最优转角理论公式，建立了半主动模式的推进机构水翼摆角的主动控制模型，根据波浪环境和系统运动的参数对翼片摆动进行实时控制，提高了波浪滑翔机的推进性能。对波浪滑翔机开展了实验研究，设计研制了相应的水下推进装置，测量了在不同波浪参数和结构参数下的推进力以及涡流的演化情况，并与仿真结果进行了对比，实验结果与仿真吻合。通过上述研究，揭示了波浪参数、波浪滑翔机的结构参数等与推进性能之间的内在联系，为波浪滑翔机的优化以及工程实际应用提供了理论基础和依据。