基于介电弹性体的合成射流驱动器流场仿真

马文涛, 汤 超, 李 博, 朱子才, 陈花玲



基于介电弹性体的合成射流驱动器流场仿真

马文涛#, 汤 超#, 李 博, 朱子才, 陈花玲

(1. 西安交通大学 陕西省智能机器人重点实验室, 陕西 西安, 710049; 2. 西安交通大学 机械工程学院机器人与智能系统研究所, 陕西 西安, 710049)

低噪声、低消耗、高推进效率是新一代仿生水下推进技术的主要研究方向。基于生物仿生机理, 文中提出了一种利用介电弹性体(DE)的电致变形驱动合成射流驱动器设计方法, 并对其在工作过程中的流场进行了有限元仿真。仿真结果表明, 该合成射流驱动器产生的流体喷射具有合成射流的特征, 能够形成一系列的涡环, 射流在涡环的卷吸作用下保持了较好的方向性。文中研究结果在新一代仿生合成射流驱动领域具有很好的应用前景。

仿生水下推进技术; 介电弹性体; 合成射流; 有限元仿真

0 引言

水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测与开发等民用领域以及海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值[1]。

水下机器人的推进技术是决定机器人系统的核心, 如何实现有效的水下推进一直是其研究的重点。以自然界生物为例, 乌贼依靠喷嘴产生喷射流和长鳍波动的复合推进方式[2]。其水下运动具有噪声低、高机动性、快速启动等优点。如果能将乌贼的运动特性运用于水下机器人上, 无疑可大大提高机器人的性能。然而, 国内外学者对于水下机器人推进技术的研究多集中在对鱼类运动方式的仿生, 主要模仿鱼类通过摆动鳍、尾鳍或身体进行推进的运动模式, 对于乌贼一类动物的射流推进研究较少。乌贼是一种常见的海洋软体动物, 全身除颚片和外套膜内的乌贼骨以外均呈柔性。正因为其体型柔软, 所以变形尺度大, 可以在极短的时间内使体内腔体的容积发生很大的变化, 从而通过喷嘴产生推进效果极佳的合成射流。合成射流技术是一种新的流场主动控制技术, 在航空航天领域有着广阔的应用前景。由于传统的合成射流主要通过刚性结构驱动形成, 其射流效果与生物相比有一定的差距, 因此, 文中通过采用一种智能的软体材料, 利用其电致变形过程形成仿生的合成射流技术。

介电弹性体(dielectric elastomer, DE)是一种新型的电活性聚合物智能材料[3]。在其上下表面涂敷柔性电极之后外加激励电场的作用下, 可以产生大尺度的应变, 具有变形大、质量轻、响应速度快等优点, 因此又被称为“人造肌肉”。将其作为合成射流驱动器部件的材料, 有望实现仿生的射流驱动功能, 为新型仿生水下机器人的研究提供技术基础。

文中首先总结了现有的水下推进技术, 然后介绍了合成射流的原理, 在DE材料变形的基础上, 提出了基于DE材料的合成射流驱动器结构, 最后进行了流场仿真分析。

1 水下推进技术及其特点

水下机器人推进技术可以分为传统的螺旋桨推进方式和仿生型的推进方式。传统的螺旋桨推进技术依靠刚性结构以及螺旋桨旋转产生的推力进行驱动, 通过将多组螺旋桨进行组合以实现多种运动姿态的调整。螺旋桨技术在较大的推进速度下连续运转时, 可产生高效的推进力[4]。但是, 由于采用螺旋桨推进需要刚性结构的辅助支撑, 造成在小型水下机器人中应用时, 机器人运动的灵活性较差。特别是多组螺旋桨组合时, 不工作的螺旋桨会对机器人的运动产生阻碍。且螺旋桨运转时会产生较大的噪声, 造成机器人的隐身性能不佳[5]。仿生型的推进技术按照运动方式可分为摆动式和流体喷射式。摆动式主要是模仿鱼类、蛇类等通过摆动尾鳍或身体, 借助水的推力来推动整体前进。目前国内外在仿生水下机器人推进技术的研究领域内, 多依靠电机驱动下由铰链连结的刚性结构[5], 主要集中在对水下生物的外观和运动方式的模仿, 通过复杂结构的设计和传统配合达到“形似”的效果, 在水下机器人的机动性和灵活性上还有很大的提升空间。流体喷射是另一种仿生型的水下推进技术, 主要是模仿乌贼的运动方式, 通过向机器人运动方向的反方向喷射水流, 利用反推力驱动机器人向前运动。该技术能实现加速度的改变, 具有快速移动的特征, 因此在水下机器人的逃生、侦查、攻击等领域具有应用潜力。

2 合成射流的形成原理及特点

乌贼的喷射是一种典型的合成射流, 以此为借鉴, 20世纪90年代, 美国乔治亚理工大学Glezer教授团队[6]利用压电振子作为驱动部件研发出一款合成射流驱动器, 如图1所示。

图1 压电驱动的合成射流驱动器结构

该合成射流驱动器主体结构为一个带有小孔的腔体, 通过压电振子的逆压电效应使腔体的容积发生改变。当腔体容积增大时, 腔内压强减小, 外部流场的流体经由射流孔进入容腔; 当腔体体积减小时, 腔内压强增大, 流体经由射流孔喷出容腔。在吸入流体与排出流体交替进行的过程中, 射流孔附近的流体受到较大强度的剪切作用, 发生流动的分离并形成漩涡对, 在自诱导速度下向远离射流孔的位置迁移。在下一个吸入流体的过程中, 前期产生的漩涡对已远离射流孔, 不会受到吸入流体过程的影响, 最后在下游位置由于耗散作用, 其结构逐渐消散, 变为散乱的湍流, 最后与外界流场完全融为一体。这样, 在交变电压的驱动下, 通过合成射流驱动器产生一系列不断向下游位置迁移的漩涡对, 使其具有流体运输的能力。

为保证合成射流的形成, 需使得从射流口吹出的射流不受腔体吸入流体时的影响, Yogen等[7]研究并确定了一条形成合成射流的规则: 合成射流的形成条件可以用涡环向下游迁移的自诱导速度和吸入流体时的平均速度2个量表征, 当这2个量的比值大于某一个数时, 合成射流就可以形成, 轴对称圆孔结构的值为2。

合成射流的中部主流由两部分组成, 一部分是由射流孔喷射出的中心射流, 另一部分是由中心射流和涡环向下游迁移过程中, 受到卷吸作用形成的附着外层流[8]。在涡环的卷吸作用下, 合成射流具有极佳的方向性。

目前, 合成射流驱动器按照产生合成射流的振源方式可以分为压电膜振动式、活塞振动式、声激励式和形状记忆合金作动式[9]。在采用压电元件、形状记忆合金、人工肌肉等功能材料的驱动器中, 功能材料既是整个装置的动力源和传动结构, 还是运动关节, 除此之外无其他机械结构, 因此, 整个仿生驱动器的结构可以非常紧凑, 整体尺寸很小[10]。继美国乔治亚理工大学的Glezer等研究出了第一台压电式合成射流激励器, 并对合成射流的形成机理以及流场的发展演变进行了系统研究[6]之后, 美国华盛顿大学的Liang等[11]以铁磁形状记忆合金(ferromagnetic shape memo- ry alloy, FSMA)复合材料作为振动膜, 利用电磁力驱动FSMA膜变形以形成合成射流, 并获得了高达190 m/s的射流速度。

通过对当前合成射流驱动器的研究现状进行分析可以发现, 大多数合成射流驱动器以压电元件作为驱动部件。压电元件的优势在于控制操作简单, 可控制频率范围宽, 且制成的合成射流驱动器结构简单、质量轻、体积小。相比之下, 活塞式合成射流驱动器一般需要外加电机, 结构通常比较笨重, 除此之外, 这种类型往往要消耗更多能源。形状记忆合金作动式的缺点在于这种驱动器往往只能在低频段使用[8]。尽管以压电元件作为驱动部件是目前研究领域内的热点, 但是它的驱动效果并非完美, 压电元件在外加电场作用下发生逆压电效应, 使得与其粘接的膜变形振动, 这种振动的幅值并不大, 一般在几十微米的数量级[12], 这使得产生的合成射流的速度还有待提高。总结这几种合成射流激励方式的优缺点如表1所示。

表1 合成射流激励方式比较

因为上述激励方式不能理想地实现乌贼式的喷射功能, 新型合成射流驱动器亟待研究。

3 DE及合成射流驱动器设计

3.1 DE的电致变形原理

在DE材料的2个表面涂敷柔性电极之后, 制成类似于三明治的层状结构, 如图2所示。在上下两面施加电压之后, 2个电极将会分别积聚正负电荷, 由于电荷互为异性, 其相互吸引形成电场力, 导致沿着电场线方向上DE被压缩; 而在同一个电极面上, 由于同种电荷互相排斥, 导致在垂直于电场线方向上发生扩张, 最终导致DE在这两部分应力的综合作用下呈现出大变形的特征。

图2 介电弹性体电致变形

3.2 基于DE的合成射流驱动器结构设计

基于DE材料的大变形特性, 文中提出一种合成射流驱动器。其中, DE驱动部件的设计如图3所示。用一个压缩弹簧对DE膜施加预载荷, 在弹簧力的作用下, DE膜被顶起成为锥形结构, 此时DE膜内部的拉应力与弹簧力达到平衡状态。当在DE膜的2个环面上施加电压时, 膜会在厚度上被压缩, 由于DE材料不可压缩, 其面积上发生扩张, 弹簧顶着DE膜向前产生一小段位移。撤掉电压之后, DE膜会恢复原来的状态, 将弹簧压缩回原来的位置。当在DE膜上施加交变电压时, DE膜就会在弹簧的作用下周期性地输出位移, 使得合成射流驱动器的腔体内部容积发生周期性变大和变小, 也导致流体被周期性地吸入和吹出。通过结构的优化设计, 有望在射流口处由于流体的剪切作用形成涡环, 产生稳定射流。

图3 合成射流驱动器驱动部分工作原理

图中:为弹簧的劲度系数;1和2分别表示未加载电压时和加载电压之后弹簧的压缩量;1和2分别表示未加载电压时和加载电压之后DE膜对弹簧的拉力。

基于上述的合成射流驱动器驱动部分的工作原理, 设计了一款合成射流驱动器如图4所示。圆形的DE膜用垫片固定, 中间部位与顶块的上表面粘接。弹簧位于顶块与尾部之间, 将DE膜顶起为锥形。头部为带有射流孔的腔体。图4(a)是合成射流驱动器的透视效果, 图4(b)是合成射流驱动器各零件拆分开之后的效果图。对该合成射流驱动器的重要部件标注了尺寸, 如图5所示。

与传统的合成射流驱动方式相比, 基于DE材料的合成射流驱动器具有以下优点:

1) 由于DE材料具有大变形的特点, 可以实现合成射流驱动器腔体容积较大的变化, 有望得到效果更显著的合成射流;

2) 得益于DE材料质量轻的优点, 该合成射流驱动器应用在水下仿生机器人上可以大大减小机器人的整体质量;

图4 合成射流驱动器结构

图5 合成射流驱动器主要零件尺寸

3) DE材料的响应速度快, 可以有效提高水下机器人的机动性和灵活性;

4) 该驱动器减少了传动系统, 因此具有更好的能量转换效率和能量密度。

4 合成射流流场仿真

基于上述优势, 文中将通过数值仿真的方法对合成射流效果进行研究。西北工业大学的罗剑等[13]在以压电振子作为驱动部件的基础上, 使用有限元软件ANSYS与CFX耦合, 提出了一种多物理场双向耦合的数值仿真方式, 除了考虑压电振子对流体的作用之外, 还考虑到了流体对压电振子的作用, 获得的结果与Glezer的实验数据[6]对比, 证明了多物理场耦合数值仿真方法能够较准确地表达合成射流产生及发展的过程。因此, 文中也采用了有限元软件ANSYS Workbench对DE材料驱动的合成射流驱动器工作状态下的流场进行研究。在该部分的仿真中, 将合成射流驱动器放置于标准大气压的空气中, 对空气流场的变化进行了仿真。由于涉及到流固耦合, 故使用瞬态求解模块与CFX模块相耦合的方式实现仿真。

4.1 计算模型的建立

合成射流驱动器工作时会出现较剧烈的旋流, 因此, 在三维模型建模中, 对于流场边界条件的设定是难点之一。文中流场与DE膜接触的壁面设定为流固耦合面interface, 类型为壁面边界, 在CFX模块中将此接触面设置为结构场与流场交换信息的流固耦合面。通过这个面, 流场将力的作用传递给结构场, 结构场将位移量传递给流场。流场与合成射流驱动器壳体接触的面设置为无滑移壁面边界, 表示在靠近壁面的位置, 空气的流速为零。由于在合成射流驱动器工作过程中, 在整个流场模型最外侧的面上, 空气会有流入与流出2种状态, 其速度方向不能确定, 因此模型最外侧的面设置为开放式边界, 空气设定为相对压强为零, 湍流强度为Medium(intensity=5%)。流场设定为一个标准大气压下的空气。湍流模型选用了k-Epsilon模型。如图6所示, 整个流场可分为射流驱动器内部的腔内流场和射流驱动器外的外部流场, 二者之间通过射流孔连接, 图中为流场的剖面。单元类型为Solid186, 单元数目为209542。

图6 流场模型网格

合成射流驱动器的结构参数如表2所示。对于合成射流驱动器的结构场模型, 由于头部、尾部等壳体零件在仿真中没有变形, 因此可以将这些零件在建模中省略, 只对DE膜和中间的顶块进行建模, 如图7所示。外侧一圈为DE膜, 中间顶块材质为塑料。单元类型为Solid186, 单元数目为2 670。由于DE材料具有超弹性和粘弹性, 文中采用Yeoh模型来描述DE的超弹性, 用与时域相关的Prony模型来描述DE的粘弹性。Yeoh模型表示不可压缩超弹性材料的应变能函数[14-15]

表2 合成射流驱动器结构参数

图7 结构场模型网格

Prony模型[15-16]表示为

表3 Yeoh模型超弹性材料参数

表4 Prony模型粘弹性材料参数

4.2 仿真结果分析

通过流固耦合分析, 得到的流场速度场变化如图8所示, 涡量图如图9所示。

图8 流场速度场变化

图8(a)中, interface面产生了向上的位移, 射流器处于“喷射”阶段, 在靠近射流孔口的位置, 由于流体的剪切作用形成了紧贴射流口周围一圈不断发展的涡环。应该注意的是, 实际上, 在射流口附近形成的是类似于洋葱圈形状的涡环, 此处采取了剖面视图, 因此看到的是2个对称的涡。图8(b)中, 为了不遮挡表征interface面位移的箭头, 将interface面透明表示。interface面向下位移, 射流器处于“吸气”阶段, 在射流口附近发生了流动的分离, 即射流孔口的流体被吸入腔内, 而稍微远离射流孔位置的流体在涡环的卷吸作用下继续向下游迁移。随着interface面的周期运动, 从图9中可以看出, 在下游形成了一系列涡环, 且涡环的尺寸在逐渐变大。中心位置的射流在远离射流孔的位置依然能够保持很好的方向性。文献[17]中, 李斌斌使用扬声器作为激励, 产生了合成射流, 通过粒子图像激光测试技术给出了流场形态的直观表示, 与文中仿真得到的结果基本吻合, 证明合成射流驱动器工作状态下产生的射流符合合成射流的特征。

图9 流场涡量

5 结束语

文中结合DE材料的电致变形特点, 设计了一款采用柔性智能材料驱动的合成射流驱动器。与传统的合成射流推进技术相比, 文中所提的合成射流驱动器具有质量小、响应速度快、能量转换效率高的特点。对合成射流驱动器在空气中工作时产生的流场变化进行了有限元仿真, 仿真得到的流场特征符合合成射流的特点, 表明该射流器能够产生有效的合成射流。仿真结果表明, 双向流固耦合分析可以模拟合成射流驱动器孔口位置复杂的流场变化。文中的研究为进一步对合成射流驱动器进行结构参数优化提供了参考。有望为新型的仿生水下机器人的研究提供分析方法。但文中所做研究尚有一些不足之处, 包括对流场的仿真未在水中进行, 仿真需要考虑流体-结构-电3个物理场相耦合的情况, 需要在进一步的研究中予以完善。

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Flow Field Simulation of Synthetic Jet Actuator Based on Dielectric Elastomer

MA Wen-tao#, TANG Chao#, LI Bo, ZHU Zi-cai, CHEN Hua-ling

(1. Shaanxi Key Lab of Intelligent Robots, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Mechanical Engineering and Institute of Robotics and Intelligent Systems, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Based on the biomimetic mechanism, a design method of synthetic jet actuator actuated by dielectric elastomer (DE) electro-deformation is proposed, and finite element simulation of the flow field in its working process is carried out. The results show that the fluid jet produced by the synthetic jet actuator has the characteristics of synthetic jet, which can form a series of vortex rings, and the jet maintains good directivity under the entrainment effect of the vortex ring. This design may have good application prospect to new generation of biomimetic synthetic jet actuating.

biomimetic underwater propulsion technology; dielectric elastomer(DE); synthetic jet; finite element simulation

TB381; TP69

A

2096-3920(2019)02-0142-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.004

马文涛, 汤超, 李博, 等. 基于介电弹性体的合成射流驱动器流场仿真[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(2): 142-148.

2018-09-26;

2018-10-27.

国家自然科学基金重大研究计划(91748124, 91648110); 国防科工局基础科研项目.

#马文涛(1996-), 男, 在读硕士, 研究方向为介电弹性体驱动结构设计; #汤 超(1989-), 男, 在读博士, 研究方向为智能材料与结构.

(责任编辑: 许 妍)