深海非接触式涡旋吸盘吸附机理及实验特性研究

This project aims to research a novel underwater vortex sucker. A specific flow field is formed with the help of the vortex generating device, and the sucker can adsorb a surface by a non-contact way because of the pressure distribution of the specific flow field. The underwater sucker can be used for deep-sea robot, and achieve the robot's non-contact adsorption and crawling on the surface of the seafloor structure. Compared with the traditional vacuum adsorption and magnetic adsorption, it has the advantages of less friction resistance, no damage to the contact surface and wide range of adaptation. By means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification, the mechanism of vortex adsorption in water will be studied in this project. Through theoretical modeling and experimental research, the pressure distribution and velocity distribution of the vortex region will be analyzed, and the influence of the vortex generator’s structure parameters and the vortex speed on the final adsorption force will be discussed. The influence of external pressure and external flow on the characteristics of vortex adsorption will be studied in the deep sea environment. A prediction model of adsorption force characteristics will be built, and the structures and parameters of the vortex sucker will be optimized on this model contraposes to deep-sea environment. Nonlinear control methods for vortex adsorption force will be proposed to improve the control precision laying a good foundation for further development and application of high performance adsorption type underwater vehicle.

本项目旨在研究一种新型水下涡旋吸盘。该吸盘具有涡旋发生装置，可在吸盘内部生成特定涡旋流场，并利用涡旋流场的压力场分布特性，实现对吸附面的非接触式吸附。水下涡旋吸盘可用于深海机器人，实现机器人在海底结构物表面的非接触式吸附爬行，相比于传统真空吸附和磁性吸附，具有摩擦阻力小、不损伤接触面、适应范围广的优势。本项目拟通过理论分析、数值模拟和实验验证等方法，对水介质涡旋吸附机理和机制开展研究。主要包括通过理论建模与实验研究相结合的手段分析涡旋区域的压力场、流速场分布特性，并探索涡旋发生器结构形式、参数、涡旋流速对最终吸附力静、动态特性的影响。针对深海环境，研究外部高压及外部来流对涡旋吸附力特性的影响。最终建立涡旋吸盘的吸附力特性预测模型，实现针对深海爬壁机器人的涡旋吸盘结构参数优化设计，并提出基于不同环境压力参数的涡旋吸附力控制方法，为进一步开展高性能吸附式水下机器人的研制和应用奠定基础。

本项目开展一种新型水下涡旋吸盘的研究及研制工作。该吸盘具有涡旋发生装置，可在吸盘内部生成特定涡旋流场，并利用涡旋流场的压力场分布特性，实现对吸附面的非接触式吸附。相比于传统真空吸附和磁性吸附，其具有摩擦阻力小、不损伤接触面、适应范围广的优势。.本项目开展了涡旋吸附机理研究，得出了涡旋吸附力是由于涡旋发生机构运动、进而引起被吸附表面动压场分布规律变化而产生的结论。项目通过开展涡旋吸盘结构设计，完成了涡旋吸盘原理样机的研制。同时，本项目建立了基于CFD的涡旋吸盘流场仿真模型，并通过开展结构化网格划分、边界条件优化，实现了涡旋吸附力及流场分布规律的高精度仿真。基于仿真结果，本项目开展了涡旋吸盘结构参数的优化，并最终完成了涡旋吸盘样机的优化设计和研制。.本项目还建立了涡旋吸盘性能测试系统，该测试系统可针对涡旋吸盘的吸附距离、吸附转速进行测试，可实时测试涡旋吸附力的大小及涡旋吸附区域的流场分布规律。基于该测试系统，本项目开展了涡旋吸盘吸附性能及流场分布规律的实验研究。测试了不同转速、吸附距离、叶片结构形式下的吸附力和流场分布规律。通过与仿真结果对比，进一步明确了涡旋吸附的产生机理和变化规律，为进一步开展系列化涡旋吸盘样机设计与研制指明了方向。.最后，本项目将涡旋吸盘样机与课题组研制的深海AUV相结合，实现了AUV的水下吸附爬行。说明该水下涡旋吸盘可用于深海机器人，实现机器人在海底结构物表面的非接触式吸附爬行，具有广阔的应用前景和价值。