波浪能滑翔机理论和数值计算研究现状

杨富茗，王大政（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江　哈尔滨 150001）

波浪能滑翔机理论和数值计算研究现状

杨富茗，王大政
（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

波浪能滑翔机是一款基于波浪能驱动的自主海洋移动监测平台，将波浪作用于海面浮体的升沉运动转化为前进运动，可实时、大范围、长时间完成不同海况下的海洋监测。文中首先介绍波浪能滑翔机的结构组成、运动原理以及在海洋观测中的应用，接着主要论述近年来国内外波浪能滑翔机理论和数值计算研究内容，并基于国内外波浪能滑翔机多体系统动力学和水动力学研究现状的分析，提出我国在波浪能滑翔机水动力方面存在的不足及其今后重点研究的建议。

波浪能滑翔机；多体系统动力学；水动力学；研究进展

0　引　言

波浪能滑翔机是由美国 Liquid Robotics 公司经过 4年研发于 2009 年成功完成美国西海岸的长距离海试，现已扩展混合动力（SV3）、极地海洋调查（Pac-X）等多个型号［1，2］。波浪能滑翔机不同于传统小尺度通过携带电池作为主要能源的海洋观测平台，它将水下滑翔机与水面船舶结合成为一种完全依靠波浪能作为动力，可在广阔海洋中长时间完成水面和水下监测跟踪任务，同时也可减少意外性丢失。

波浪能滑翔机由柔性缆绳的水面母船和水下滑翔机构两部分组成（见图 1），水面母船外形采用 V 型船首设计，同时船底安装固定鳍可增加转首力矩；水下滑翔机构由 6 对纵向紧密排列对称水翼和平板框架组成［3］。

波浪能滑翔机工作原理是利用水面母船随波浪的升沉运动，通过柔性缆绳带动水下滑翔机构，使其产生水平方向拉力，带动母船一起，沿波浪驱动机构纵向方向前进。当水面母船随波浪上升时，通过缆绳带动水下滑翔驱动机构上升，同时水下滑翔机构的水翼绕自身定轴转动至限位处产生水平方向的拉力，沿波浪驱动机构纵向方向前进（见图 2）；当水面母船随波浪下降时，水下滑翔机构依靠自身重力，使其水翼产生水平方向拉力，带动水面母船从而使波浪能滑翔机沿纵向前进。

波浪能滑翔机的成功研制同样吸引许多海洋科学家的目光，水面母船可作为移动气象站，海事自动识别系统，通过卫星通信等设备可全天候实时传输数据；水下滑翔机构可搭载多普勒流速传感器、水听器、温盐深传感器等海洋跟踪监测设备［4 - 6］，这些成功运用吸引多个国家开始研发波浪能滑翔机。

图 1　波浪能滑翔机结构组成Fig. 1　The composition of wave glider

图 2　波浪能滑翔机运动原理Fig. 2　The motion principle of wave glider

1　波浪能滑翔机理论研究现状

1.1国外研究现状

目前，美国在波浪能滑翔机方面具有成熟技术，同时经过大量海试验证该平台的可靠性和应用价值，但该平台所属 Liquid Robotics 公司商业研发保密以及被美国军方采用作为濒海监测网络一员，公开发表的理论研究文章较少。

Ryan N Smith等［7］分别应用线性回归和高斯回归模型讨论影响波浪能滑翔机运动的环境参数，通过输入有义波高、波周期、风速、海流等海洋环境参数计算波浪能滑翔机前进速度。该研究可根据不同的海洋环境参数预测波浪能滑翔机在指定时间内的运动范围。

Nicholas D. Kraus等［8-9］参考并采用 Liquid Robotics公司的波浪能滑翔机的外形设计参数，根据牛顿力学的动量定理和动量矩定理，基于波浪能滑翔机各部分质量固定假设，同时考虑到风、流影响、系统附加质量以及斯托克斯深水波理论建立六自由度非线性动力学方程，旨在确定水动力关键技术参数。考虑阻尼、恢复力以及重力作用，经惯性坐标系和载体坐标系转换将三维六自由度水动力方程简化为二维无舵偏转且仅含有纵倾的运动方程，经线性化后的方程更加便于控制和估算。通过使用经验公式方法估算波浪能滑翔机各部分水平以及横向阻力等相关水动力参数，其中水面母船和水下滑翔机构的轴向阻力采用在海洋中拖拽的实验方法确定。在实验方面，波浪能滑翔机搭载GPS，惯性测量单元（IMU）以及无线电发射装置在夏威夷海岸进行为期 3 天的海试。而后采用欧拉模型，PID 控制方法同时忽略波浪能滑翔机各机构的转动运动通过数值积分方法模拟航迹、转向和稳定性计算，通过与采用EKF滤波方法对海试数据处理比较发现，建立的水动力模型具有准确性。

1.2国内研究现状

目前，从公开发表的文献可知，国内研究波浪能滑翔机的单位主要有国家海洋中心、哈尔滨工程大学、中科院沈阳自动化研究所、浙江大学及中船重工第 701 研究所等。

1.2.1研究内容

迄今为止，国内在波浪能滑翔机理论研究的主要内容有：

1）多体系统动力学模型

通过对波浪能滑翔机做详细受力分析，建立二维非线性波浪能滑翔机动力学方程，采用 Kane 方法、拉格朗日力学模型，同时忽略掉风、海流、水面母船和水下滑翔机构的耦合作用等随时间变化的因素。

2）水动力学 CFD 技术方法

根据边界层理论对水面母船做三维粘性不可压缩定常做静水阻力计算；根据波浪线性理论（Airy 微振幅理论）解决船体水动力学问题；根据机翼理论对水下滑翔机构整体和水翼做定常计算分析。

1.2.2数值模拟

近几十年，随着多体系统动力学和水动力学 CFD技术商业软件的飞速发展，目前国内外数值模拟方法大部分采用多体系统动力学为主，水动力学 CFD 技术定常计算方程参数。

贾丽娟等［10 - 12］利用 CFD 技术商业软件 Fluent 分别对关键结构做水动力定常计算分析，通过对比计算平板和 NACA 翼型在不同来流速度、不同水翼间隔分布情况下的升阻比值，选取 NACA0006 翼型和 20 mm 间距作为设计参数；通过选定翼型和间距同时考虑到 4级海况，计算确定旋转最大角度为 18°。基于波浪滑翔机的结构选取在纵向平面内建立含有 3 个自由度（前进、升沉、纵倾）动力学方程，采用多体动力学 Kane方法，略去方程高阶形式，同时忽略水面母船和水下滑翔机构间的耦合作用，利用软件 Matlab 对水面母船、水下滑翔机构、缆绳数模模拟可知波浪能滑翔机系统在一个波周期内前进速度先减速后加速。

Akaddin Elhadad等［13 - 14］使用较为准确的数值方法预报船舶阻力，最小限度依赖传统的经验公式设计方法，分别采用 4 m 和 2 m Wigley 船型作为波浪能滑翔机水面船舶研究对象，使用商业软件 Gambit 对三维船型划分 3 种不同网格来验证计算的准确性，Fluent 作为数值模拟求解软件，采用三维不可压缩两相湍流的粘性定常方法计算模拟傅汝德数在 0.1 ～ 0.4 之间的阻力，并且与 ITTC 水池实验数据比较发现具有非常好的一致性。

田宝强等［15 - 17］基于对波浪能滑翔机各部分质量固定、水面母船纵倾、忽略缆绳质量等假设，在纵向剖面根据拉格朗日力学模型，D-H 坐标系方法建立运动方程；根据波浪线性理论且考虑到系统附加质量在不同波高、不同波周期设计参数情况下，通过对波浪能滑翔机前进速度、缆绳角速度仿真计算分析发现在波高或波周期相同情况下，波周期越小、波高越大，波浪能滑翔机前进速度增大、缆绳的角速度增大。

俞建成等［18］旨在分析波浪能滑翔机的运动效率，根据波浪线性理论得出包含动能和势能的波能总能量，接着得出波浪能量输入功率建立运动效率公式，即水下滑翔机构前进水平方向的动力功率与波浪能量输入功率之比，通过公式可以看出平台效率与波高的二次方成反比，波浪周期成正比，水平速度的三次方成正比。通过实验方法验证对输入不同波高、波周期和水翼旋转角度得出对波浪能滑翔机运动效率的影响，通过实验发现速度对波浪能滑翔机的影响超过波浪周期，这些所做为水动力模型和运动效率优化分析作为指导。

郑炳欢等［19］对水下滑翔机构的水翼定常分析，采用NACA63-412 非对称翼型，同时假设波浪诱导流速是恒定值，周围压力足够高且无空化现象，通过软件数值模拟计算与经验公式计算对比分析水翼产生阻力的因素并且优化水翼设计参数，通过对比计算表明水翼的旋转角度为 45° 时水翼产生的水平推力达到极大值。

李小涛等［20 - 21］分析波浪能滑翔机各部分影响其吸收和利用波浪能的因素并分析在不同海浪等级条件下波浪滑翔机获取的波浪能和水下滑翔体前行的推力。利用 CFD 软件 Fluent 对水面母船不同来流方向和不同吃水做静水阻力计算并与经验公式对比发现趋势相同；同时水下滑翔机构的水翼选取 NACA0016 翼型，分别采用 6 对和 7 对水翼、旋转固定为 ± 30° 时在不同来流攻角情况下做定常阻力计算。基于 CFD 计算结果，对水面母船、缆绳、水下滑翔机构做理论动力学非线性分析，以多体动力学软件 ADAMS 和数值计算软件 Matlab/Simulink 跨平台联合仿真形式对波浪滑翔机系统分别在 1 级和 3 级海况以及 9 级极端海况下、3 ～ 5 m 缆绳长度模拟耦合运动。

2　国内外研究现状分析

纵观波浪能滑翔机理论研究的国内外现状，可以看出：

1）波浪能滑翔机研究国外领先。国内外波浪能滑翔机理论研究公开发表文献数量较少，国内相对于国外较多，国内学者从多体动力学、水动力学角度分析且采用数值仿真模拟与实验数据相结合的方式，但都处于样机试制阶段；国外特别是美国研究领先，已先后发展多个版本、规模量产阶段，我国在波浪能滑翔机研究水平和美国先进水平相比还有相当大的差距。

2）我国波浪能滑翔机理论研究处于初步阶段。目前国内外主要研究在二维纵剖面内做理论分析建立运动方程，但对水面母船和水下滑翔机构分块研究较少，尤其是作为系统推进部分的水下滑翔机构应为研究重点；由于波浪不确定性，水下滑翔机构在一个波周期内运动处于时刻变化的过程，单一的固定水翼角度做定常分析无法满足设计要求；同时水翼在对称与非对称机翼的选取、水翼水平排列相互间影响、以及在不同海况下确定旋转角度如何寻求最大效能、三维六自由度波浪能滑翔机系统耦合运动分析成为今后研究重点。

3）CFD 技术成为波浪能滑翔机水动力研究的有效手段。国内外数值模拟为多体动力学和水动力学软件模拟；多体动力学软件仿真模拟通过建立非线性运动方程形式可快速对系统运动做快速预报，但方程计算参数大多采用经验公式估算；随着计算机科学技术的飞速发展及多功能模块开发和应用，功能日趋强大，使基于 CFD 的数值计算方法和试验方法相辅相成，尤其在参数化设计计算研究方面优于模型试验，基于CFD 技术对设计部件以及系统采用动网格技术做非定常分析。

3　结　语

波浪能滑翔机采用新颖设计，有别于传统海洋移动监测平台，它完全依靠波浪能和太阳能作为动力推进，可携带多种海洋监测设备完成监测任务，将成为连接水下和陆地通信的中转平台，目前国内对此研究处于起步阶段，通过借鉴国外研究成果，走自主创新之路，希望国家投入更多的科研经费，进一步完善优化设计，掌握核心技术，为丰富我国海洋移动监测平台提供有力支撑。

［1］MANLEY J，WILLCOX S. The wave glider：a new concept for deploying ocean instrumentation［J］. IEEE instrumentation and measurement magazine，2010，13（6）：8-13.

［2］VILLAREAL T A，WILSON C. A comparison of the Pac-X trans-pacific wave glider data and satellite data （MODIS，Aquarius，TRMM and VⅡRS）［J］. PLoS one，2014，9（3）：e92280.

［3］NGO P，DAS J，OGLE J，et al. Predicting the speed of a wave glider autonomous surface vehicle from wave model data［C］//Proceedings of IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems. Chicago，IL：IEEE，2014：2250-2256.

［4］MULLISON J，SYMONDS D，TRENAMAN N. ADCP data collected from a liquid robotics wave glider®［C］//Proceedings of the 2011 IEEE/OES/ 10th current，waves and turbulence measurement. Monterey，CA：IEEE，2011：266-272.

［5］BINGHAM B，KRAUS N，HOWE B，et al. Passive and active acoustics using an autonomous wave glider［J］. Journal of field robotics，2012，29（6）：911-923.

［6］MAQUEDA M A M，PENNA N T，WILLIAMS S D P，et al. Water surface height determination with a GPS wave glider：a demonstration in Loch Ness，Scotland［J］. Journal of atmospheric and oceanic technology，2016，33（6）：1159-1168.

［7］NGO P，AL-SABBAN W H，THOMAS J，et al. An analysis of regression models for predicting the speed of a wave glider autonomous surface vehicle［C］//Proceedings of the 2013 Australasian conference on robotics & automation. Sydney，NSW，Australia：Australasian Robotics and Automation Association，University of New South Wales，2013.

［8］KRAUS N，BINGHAM B. Estimation of wave glider dynamics for precise positioning［C］//Proceedings of the OCEANS'11 MTS/IEEE KONA. Waikoloa，HI：IEEE，2011.

［9］KRAUS N D. Wave glider dynamic modeling，parameter identification and simulation［D］. Honolulu：University of Hawaii at Manoa，2012.

［10］QI Z F，LIU W X，JIA L J，et al. Dynamic modeling and motion simulation for wave glider［J］. Applied Mechanics and Materials，2013，397-400：285-290.

［11］JIA L J，ZHANG X M，QI Z F，et al. Hydrodynamic analysis of submarine of the wave glider［J］. Advanced Materials Research，2013，834-836：1505-1511.

［12］贾立娟. 波浪动力滑翔机双体结构工作机理与动力学行为研究［D］. 天津：国家海洋技术中心，2014. JIA Li-juan. Study of operation principle of two-part architecture and dynamic behavior of wave glider［D］. Tianjin：National Marine Technology Center，2014.

［13］ELHADAD A，DUAN W Y，DENG R. A computational fluid dynamics method for resistance prediction of the floating hull of wave glider［J］. Advanced Materials Research，2014，936：2114-2119.

［14］ELHADAD A，DUAN W Y，DENG R. Comparative investigation of an automated oceanic wave surface glider robot influence on resistance prediction using CFD method［J］. Applied Mechanics and Materials，2015，710：91-97.

［15］TIAN B Q，YU J C，ZHANG A Q. Dynamic modeling of wave driven unmanned surface vehicle in longitudinal profile based on D-H approach［J］. Journal of Central South University，2015，22（12）：4578-4584.

［16］TIAN B Q，YU J C，ZHANG A Q，et al. Dynamics analysis of wave-driven unmanned surface vehicle in longitudinal profile［C］//OCEANS 2014 - TAIPEI. Taipei：IEEE，2014.

［17］TIAN B Q，YU J C，ZHANG A Q. Lagrangian dynamic modeling of wave-driven unmanned surface vehicle in three dimensions based on the D-H approach［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation，Control，and Intelligent Systems. Shenyang：IEEE，2015：8-12.

［18］田宝强，俞建成，张艾群，等. 波浪驱动无人水面机器人运动效率分析［J］. 机器人，2014，36（1）：43-48，68. TIAN Bao-qiang，YU Jian-cheng，ZHANG Ai-qun，et al. Analysis on movement efficiency for wave driven unmanned surface vehicle［J］. Robot，2014，36（1）：43-48，68.

［19］ZHENG B H，XU C Y，YAO C L，et al. The effect of attack angle on the performance of wave glider wings［J］. Applied Mechanics and Materials，2015，727-728：587-591.

［20］李小涛. 波浪滑翔器动力学建模及其仿真研究［D］. 北京：中国舰船研究院，2014. LI Xiao-tao. Dynamic model and simulation study based on the wave glider［D］. Beijing：China Ship Research Institute，2014.

［21］李小涛，王理，吴小涛，等. 波浪滑翔器原理和总体设计［J］.四川兵工学报，2013，34（12）：128-131. LI Xiao-tao，WANG Li，WU Xiao-tao，et al. Principle and system design of a wave glider［J］. Journal of Sichuan Ordnance，2013，34（12）：128-131.

Research status on theory and numerical calculation of wave glider

YANG Fu-ming，WANG Da-zheng
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The wave glider is an autonomous surface platform driven by wave power，it converts the heave motion of the floating body acted by wave power into forward movement，so it can complete the persistent observation in a variety of marine environment，real-time，and large scope. This paper firstly presents the composition，propulsion of wave glider and its applications. And then discuss the status of research on theory and numerical calculation. Some advancing front of research subjects of the mutibody system dynamics and hydrodynamic of wave glider are analyzed，and current problems and some suggestions for future research.

wave glider；mutibody system dynamics；hydrodynamic；research progress

V277；TV131.2

A

1672 - 7619（2016）08 - 0001 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.001

2016 - 01 - 15；

2016 - 03 - 15

国家高技术研究发展计划资助项目（2014AA09A507）

杨富茗（1987 - ），男，博士研究生，研究方向为波浪滑翔机水动力特性计算与混合驱动高效螺旋桨设计。