波浪滑翔器脐带缆在扭转作用下的流体动力性能：涡流诱导振动与主动扭转控制算法

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic performance of wave glider umbilical cable under torsion: vortex-induced vibration and active de-torsion algorithm

1.本研究针对海洋波浪滑翔机因表面浮子与水下滑翔机航向偏差引发的脐带缆扭转问题，提出主动去扭算法。通过三维CFD模型分析1-5圈扭转及0.25-0.75m/s流速下的水动力特性，发现3圈扭转时涡结构最复杂导致推进效率骤降，5圈扭转则降低涡流连贯性但降低阻力。海试证明算法使平均速度提升20%，航向偏差稳定在±10°。

　　本文探讨了波浪滑翔器（wave glider）在复杂海洋环境下，由于水面浮体与水下滑翔器之间的航向偏差导致的脐带缆（umbilical cable）扭转变形对导航性能的影响。通过深入分析脐带缆在扭转变形状态下的水动力性能和涡激振动（VIV）现象，研究提出了一个主动解扭算法，并通过海上试验验证了其有效性。研究结果表明，扭转变形会显著影响波浪滑翔器的推进效率，从而降低其整体性能。在特定条件下，如3圈扭转变形，会导致复杂的涡旋结构，进而引发剧烈的升力波动和阻力峰值；而5圈扭转变形则会减弱涡旋的连贯性和尾流强度，降低整体阻力。通过引入主动解扭算法，系统能够根据实时航向偏差调整舵和推进器的控制策略，从而有效抑制扭转变形对速度的影响，提高平均航行速度约20%，并将航向偏差控制在±10°以内，显著增强了波浪滑翔器在复杂海况下的动态性能。

波浪滑翔器作为一种独特的海洋观测平台，因其能够同时利用波浪能和太阳能，具备长期、大规模海洋监测的能力。其核心结构包括水面浮体、水下滑翔器以及连接两者的脐带缆。水面浮体通过垂直谐波运动捕获波浪能，水下滑翔器则配备了一系列水翼结构，将波浪能转化为前进推进力。在上升阶段，水面浮体拉动水下滑翔器，水翼在水动力作用下被动调整攻角，产生前进推力；在下降阶段，水下滑翔器在重力作用下下沉，而脐带缆保持张紧状态，水翼采用反向攻角维持推进力输出。这种“水下推进—水面跟随”的耦合运动模式，使得波浪滑翔器能够在不同海况下稳定运行。此外，水面浮体还配备了太阳能板，将太阳能转化为电能，储存在锂电池中，以驱动传感器阵列、卫星通信模块和控制系统，从而实现长时间的自主运行。

尽管波浪滑翔器的推进机制和结构优化已得到广泛研究，但脐带缆作为连接水面浮体与水下滑翔器的关键部件，其水动力性能和涡激振动现象对系统整体效率具有重要影响。因此，深入研究脐带缆在扭转变形状态下的水动力特性，对于提升波浪滑翔器的推进性能至关重要。在早期研究中，脐带缆通常被简化为刚体或仅考虑轴向张力的高刚度弹簧，以表征其对系统运动的约束作用。然而，随着对波浪滑翔器强耦合特性的认识加深，研究逐渐转向基于多体动力学理论的固定长度和可变长度缆模型，以提高其在复杂海况下的适应性和建模精度。近年来，研究者还通过离散质量法，将脐带缆离散为由球形关节连接的刚性杆段，并结合Fossen方程，建立了包含6个自由度的耦合动态模型，用于多参数仿真。此外，基于串联质量弹簧阻尼模型，研究者还开发了一种用于计算脐带缆水动力载荷的离散方法，并构建了包含水面浮体和水下滑翔器的12个自由度双体模型，以系统评估不同海况和控制策略对整体运动性能的影响。

然而，目前关于脐带缆在三维流体-结构耦合状态下的扭转变形研究仍较为有限，这限制了对扭转变形载荷的定量预测和抑制策略的设计。在实际海况中，复杂的洋流和波浪会导致水面浮体与水下滑翔器之间的航向偏差，并伴随脐带缆的松弛-张紧状态转换，这些因素共同诱发了脐带缆的扭转变形。扭转变形不仅改变了脐带缆的投影面积和流体绕流特性，还可能降低其水动力性能，增加阻力和疲劳风险，最终影响波浪滑翔器的推进效率。因此，有必要对脐带缆在不同扭转变形圈数和流速条件下的水动力性能进行系统研究，并提出有效的解扭策略。

本文的研究基于CFD软件，对脐带缆在不同扭转变形圈数（1-5圈）和流速范围（0.25-0.75 m/s）下的水动力性能和涡激振动现象进行了深入分析。研究首先利用历史海上试验数据，揭示了脐带缆扭转变形圈数与波浪滑翔器速度之间的负相关关系，并建立了简化的动态模型以阐明扭转变形机制。随后，基于缩比模型和STAR CCM+软件，构建了三维仿真模型，进一步评估了不同扭转变形状态下的水动力特性。研究发现，随着扭转变形圈数的增加，脐带缆的水动力性能受到显著影响，特别是在3圈扭转变形时，涡旋结构最为复杂和不稳定，导致升力波动剧烈和阻力峰值明显。相比之下，5圈扭转变形虽然仍会影响水动力性能，但其对涡旋结构和尾流强度的削弱作用更为显著，从而降低了整体阻力。此外，研究还发现，流速的增加会进一步加剧涡激振动现象，尤其是在脐带缆的松弛状态下，横向和纵向振动模式会更加剧烈，这与涡旋结构的演变密切相关。

在解扭策略方面，本文提出了一种基于实时航向偏差监测的主动解扭算法，并将其集成到航向控制框架中。该算法通过定义水面浮体与水下滑翔器之间的相对航向偏差（Δψ = ψf - ψg），使系统能够自主识别脐带缆的扭转变形状态，并切换控制模式以启动相应的解扭措施。通过海上试验验证，该算法能够有效抑制扭转变形对速度的影响，提高波浪滑翔器的平均航行速度，并将航向偏差控制在±10°以内。这不仅提升了波浪滑翔器在复杂海况下的动态性能，还为未来优化其推进效率和航行稳定性提供了理论依据和技术支持。

为了更全面地理解脐带缆的扭转变形机制，本文还对脐带缆的内部结构进行了详细分析。脐带缆作为连接水面浮体和水下滑翔器的关键组件，不仅承担着载荷传递的功能，还负责信号传输。其内部结构包括承载元件、功能芯、辅助加强材料以及保护层。研究者通过实验和仿真方法，对各层的尺寸和材料特性进行了系统研究，并总结了相关数据（见表1）。在本研究中，脐带缆被简化为一个能够模拟其实际行为的模型，以更高效地分析其在不同工况下的水动力特性。

在对脐带缆的水动力性能进行分析时，研究者注意到，波浪滑翔器的双体结构使得水面浮体与水下滑翔器之间的相对运动在波浪和洋流的耦合作用下容易引发复杂的变形，如拉伸、弯曲和扭转变形。这种扭转变形的积累会对脐带缆的水动力特性产生显著影响，并进一步改变其与流体之间的相互作用行为。因此，本研究通过建立三维CFD模型，系统地评估了脐带缆在不同扭转变形圈数和流速条件下的水动力性能，并验证了模型的有效性。研究结果表明，扭转变形对脐带缆的升力和阻力特性具有显著影响，特别是在3圈扭转变形时，升力波动最为剧烈，阻力峰值也最为明显，这表明在实际应用中，需要特别关注这种状态下的性能变化。

此外，研究还探讨了不同脐带缆截面形状对水动力性能的影响。研究表明，非对称结构对攻角变化更为敏感，从而可能影响其水动力性能。同时，不同流速条件下的脐带缆振动特性也表现出显著差异，流速越高，涡激振动的强度越大，导致升力和阻力波动更加剧烈。这些发现为优化脐带缆的水动力性能提供了重要参考，并为未来设计更高效的波浪滑翔器奠定了基础。

在振动抑制方法方面，研究者提出了多种技术手段，以减少脐带缆的涡激振动。例如，适当的护套覆盖可以有效降低振动幅度，而调谐质量阻尼器（TMD）作为一种典型的被动控制装置，已被用于抑制二维圆柱体的涡激振动。此外，研究还发现，通过在圆柱表面引入螺旋沟槽，可以削弱交替涡旋脱落，从而降低振动幅度并消除频率锁定现象。受仙人掌启发的仿生圆柱体则通过重塑尾流和改变涡旋脱落模式，显著抑制了涡激振动，有效降低了振动幅度和水动力载荷。这些研究为优化脐带缆的振动特性提供了多种可行的解决方案，并有助于提升波浪滑翔器的稳定性和耐久性。

本文的研究不仅揭示了脐带缆扭转变形对波浪滑翔器性能的负面影响，还通过建立三维CFD模型和主动解扭算法，为解决这一问题提供了有效的技术路径。研究结果表明，通过实时监测航向偏差并采取相应的控制措施，可以显著提高波浪滑翔器的航行效率和稳定性。这一成果对于提升波浪滑翔器在复杂海洋环境中的应用价值具有重要意义，同时也为未来进一步优化其结构设计和控制策略提供了理论支持和实践依据。

在总结部分，本文指出，通过研究不同扭转变形圈数和流速条件下的脐带缆涡激振动现象，建立了一个能够系统评估其水动力性能的三维CFD模型，并通过海上试验验证了模型的有效性。研究的主要结论包括：脐带缆扭转变形圈数与其水动力性能之间存在显著的负相关关系；3圈扭转变形会导致最复杂的涡旋结构，从而对推进效率产生最大影响；5圈扭转变形虽然仍会影响水动力性能，但其对涡旋结构和尾流强度的削弱作用更为明显，从而降低了整体阻力；流速的增加会加剧涡激振动现象，特别是在脐带缆的松弛状态下，横向和纵向振动模式会更加剧烈，这与涡旋结构的演变密切相关；通过引入主动解扭算法，可以有效抑制扭转变形对速度的影响，提高平均航行速度，并将航向偏差控制在±10°以内，从而显著增强波浪滑翔器在复杂海况下的动态性能。

研究还强调了未来在该领域可能的研究方向。首先，需要进一步探索不同截面形状和材料特性对脐带缆水动力性能的影响，以优化其设计并提高其在复杂流体环境中的适应性。其次，应加强对三维流体-结构耦合状态下的涡激振动现象的研究，以更全面地理解其对系统性能的影响。此外，还需开发更加智能化的解扭控制策略，以适应不同海况下的动态变化，并提高系统的自主调节能力。最后，研究者建议结合实验与数值模拟的方法，进一步验证不同解扭策略的实际效果，并为未来波浪滑翔器的工程应用提供更可靠的技术支持。

综上所述，本文通过系统分析脐带缆在扭转变形状态下的水动力性能和涡激振动现象，提出了有效的解扭策略，并通过海上试验验证了其可行性。研究结果不仅揭示了扭转变形对波浪滑翔器推进效率的负面影响，还为优化其结构设计和控制策略提供了重要的理论依据和实践指导。这些发现对于提升波浪滑翔器在复杂海洋环境中的应用价值具有重要意义，并为未来进一步研究其水动力性能和振动抑制技术奠定了坚实的基础。