1.本发明属于仿生减阻技术，具体涉及一种水下航行器复合减阻方法。
背景技术：
2.水下航行器应用范围广泛，如管道检测、水下搜救、扫雷、海洋勘探等。因此，针对水下航行器运的减阻成为了广泛研究的重点。一方面可以在水下航行器上构建仿生减阻表面，现有的仿生表面灵感来源于鲨鱼盾鳞结构、海豚柔性皮肤、鸟类羽毛等。然而，这些结构的实际应用可能会涉及藤壶、污垢、尘土等堆积，存在结构易破坏，减阻率较低的问题，这会对减阻效果产生影响。另一方面，对于复杂的工况，虽然可以通过优化水下航行器结构、升级内部控制系统、增加传感器和功能模块等方式，但研究成本较高，生产研发周期较长。此外，还可以使用多组水下航行器来执行复杂任务，但多组航行器运行时的布局编队尚未解决，这也直接导致了多组水下航行器运行后存在阻力较大、耗能较高等问题。
技术实现要素：
3.发明目的：本发明的目的在于提供一种结合仿河鲀体刺和按雁群效应排列的用于多组水下航行器运行的复合减阻方法。
4.技术方案：本发明的一种水下航行器复合减阻方法，包括以下步骤：
5.步骤1：将水下航行器按轴向分区，包括依次连接的前体、平行中体、后体和后体罩；
6.步骤2：通过对轴向分区构建线性方程得到具有流线体外型的水下航行器；
7.步骤3：在水下航行器的外壳表面向排列仿河鲀体刺减阻元；
8.步骤3：将布置仿河鲀体刺减阻元的水下航行器按雁群效应编队布局。
9.进一步的，所述步骤2的具体过程包括：
10.步骤21：根据水下航行器起点为坐标原点o点，轴向方向为x轴，径向方向为y轴，垂直于oxy平面指向圆心的方向为z轴，建立三维直角坐标系oxyz，确定oxy为二维平面参考坐标系；
11.步骤22：根据水下航行器半径，确定前体、平行中体、后体和后体罩线性方程。
12.进一步的，所述前体的线性方程为：
13.r＝r
max
(ax(0.3x-1)4+bx2(0.3x-1)3+1-(0.3x-4)4(1.2x+1))
1/2.1
；
ꢀꢀꢀ
(1)；
14.式(1)中，r表示径向长度，x表示水下航行器轴向长度，r
max
表示水下航行器半径；
15.所述平行中体的线性方程为：
16.r＝r
max
；
ꢀꢀꢀ
(2)；
17.式(2)中，r表示径向长度，r
max
表示水下航行器半径；
18.所述后体的线性方程为：
[0019][0020]
式(3)中，r表示径向长度，x表示水下航行器轴向长度，r
max
表示水下航行器半径；a、b、c、rh、k1、k2是固定系数，ε是与x相关的系数值；
[0021]
所述后体罩的线性方程为：
[0022]
r＝dr
max
(1-(3.2x-44.73)2)
0.5
；
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0023]
式(4)中，式(3)中，r表示径向长度，x表示水下航行器轴向长度，r
max
表示水下航行器半径；d是固定系数。
[0024]
进一步的，所述步骤3的具体过程包括：
[0025]
步骤31：确定仿河鲀体刺减阻元为圆锥形；
[0026]
步骤32：将仿河鲀体刺减阻元按平行方式沿轴向排布在水下航行器的前体、平行中体、后体上。
[0027]
进一步的，所述仿河鲀体刺减阻元的高度为0.2～1.5mm；沿水下航行器轴向方向的相邻仿河鲀体刺减阻元的间距为3～4mm；沿水下航行器周向的相邻仿河鲀体刺减阻元的延长线与中心轴的夹角为10～20
°
。
[0028]
进一步的，所述步骤4具体过程包括：
[0029]
步骤41：根据水下航行器起点为坐标原点o点，轴向方向为x轴，径向方向为y轴，垂直于oxy平面指向圆心的方向为z轴，建立三维直角坐标系oxyz，确定oxy为二维平面参考坐标系；
[0030]
步骤42：根据所述oxy二维平面参考坐标系，定义x和y等于0处为主导式水下航行器，距离主导式水下航行器相对位置x
l
和y
l
处为随动式水下航行器；
[0031]
步骤43：根据人字或一字队形，结合水下航行器按特定的舰队形状能够获得能量效应，确定无量纲参数；
[0032]
步骤44：根据仿真实验阻力结果，结合阻力系数计算公式，确定主导式水下航行器以及随动式水下航行器的无量纲阻力系数；
[0033]
步骤45：根据无量纲参数范围，结合主导式水下航行器和随动式水下航行器阻力系数比，确定多组水下航行器的编队布局。
[0034]
进一步的，所述步骤43中，确定无量纲参数的公式为：
[0035]
a＝x
l
/l；
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0036]
b＝y
l
/l；
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0037]
式(5)和式(6)中，a和b表示无量纲参数，l表示水下航行器长度，x
l
和y
l
表示随动式水下航行器相对于主导式水下航行器的位置坐标。
[0038]
进一步的，所述步骤44中，确定主导式水下航行器无量纲阻力系数的公式为：
[0039][0040]
确定随动式水下航行器无量纲阻力系数的公式为：
[0041][0042]
式(7)和式(8)中，f
l
为仿真得到的主导式水下航行器阻力值，ff为仿真得到的随动式水下航行器阻力值，ρ是密度，s表示仿河鲀体刺减阻元所在轴向分区的横截面积，u表示速度。
[0043]
进一步的，所述步骤45中，编队布局包括平行区域、串联区域、拉动区域和推动区域。
[0044]
进一步的，所述平行区域位于a＝0处；所述串联区域位于b＝0处；所述拉动区域位于0.2《b《0.6，0.25《a《1处；所述推动区域主要位于0.1《b《0.6，a》1.25处。
[0045]
本发明的减阻原理为：首先，通过线性方程构建的流线型结构，能够有效地降低水流产生的压差阻力；其次，通过河鲀体刺外型锥形棘突和多爪脊柱外形，确定仿河鲀体刺减阻元为圆锥形，圆锥形的设计可以使过渡到湍流的剪切层不稳定，这有利于降低水下航行器的粘性阻力，显示出高达10％的减阻效果。该设计有效的代替二维粗糙结构，通过不同高度以及平行排布方式诱发局部湍流使得凸起物周围流速增快，先阻碍，后分离，避免了灰土堆积；最后，以雁群的人字或一字的队形进行多组水下航行器的编队，使位于主导位置的水下航行器在运行中会产生低速尾迹和低压侧流，从而跟随的水下航行器可以利用速度差或压差节省运行能量，并减少独立运行受到的阻力。本发明通过构建流线型结构、在表面布置仿河鲀体刺减阻元和将多组航行器按照雁群效应进行编队布局，达到了协同减阻的目的。
[0046]
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：(1)本发明将水下航行器设计为低阻力流线型不同于常见的myring形，能够有效地降低水流产生的压差阻力；(2)本发明分布于水下航行器外壳的仿河鲀体刺结构，突破了仿生减阻表面传统的微结构，并不会破坏航行器内部结构以及整体外形，能够较大程度上降低水下航行器表面粘性阻力；(3)本发明通过无量纲公式以及阻力系数比表征了具有雁群效应的水下航行器四种不同的编队布局，能够利用简单的水下航行器完成复杂的水下任务；(4)本发明具有雁群效应和仿河鲀体刺的水下航行器复合减阻方法，能够使减阻效果有效叠加，减阻率大于10％，保证水下航行器获得最大减阻收益，最终提高水下航行器航行速度并且降低能量消耗。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例1中单个水下航行器整体示意图；
[0048]
图2为本发明实施例1中河鲀体刺扫描电镜图片；
[0049]
图3为本发明实施例1中仿河鲀体刺减阻元整体示意图；
[0050]
图4为实施例中减阻元平行排布在水下航行器平行中体上的正视图；
[0051]
图5为实施例中减阻元平行排布在水下航行器平行中体上的截面图；
[0052]
图6为实施例具有减阻元的水下航行器雁群效应排布整体结构示意图；
[0053]
图7为实施例中水下航行器压差阻力，粘性阻力以及总阻力随仿河鲀体刺高度变化曲线图；
[0054]
图8为表面摩擦系数变化曲线图；
[0055]
图9为无量纲平均壁面法向速度图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0057]
如图1所示的流线形水下航行器，包括依次连接的前体1，平行中体2，后体3以及后体罩4。
[0058]
确定一种具有雁群效应和仿河鲀体刺的水下航行器复合减阻方法，通过预处理构建线性方程准确获得水下航行器低阻力流线型设计，以水下航行器起点为坐标原点o点，轴向方向为x轴，径向方向为y轴，垂直于oxy平面指向圆心的方向为z轴，可以定义三维直角坐标系oxyz，以及oxy为二维平面参考坐标系。
[0059]
结合水下航行器半径r
max
＝25.4mm，固定系数a＝1.13、b＝0.44、c＝13.98、d＝0.12、rh＝0.12、k1＝10、k2＝44.62，以及x范围，径向长度r，最终确定前体，平行中体，后体以及后体罩线性方程。
[0060]
前体1，其线性方程为：
[0061]
0《x《101.6mm
[0062]
r＝r
max
(ax(0.3x-1)4+bx2(0.3x-1)3+1-(0.3x-4)4(1.2x+1))
1/2.1
ꢀꢀꢀ
(1)；
[0063]
平行中体2，其线性方程：
[0064]
101.6mm《x《324.5mm
[0065]
r＝r
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0066]
后体3，其线性方程为：
[0067]
324.5mm《x《426.1mm
[0068][0069]
ε＝(c-x)/3.33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0070]
后体罩4，其线性方程为：
[0071]
421.6mm《x《435.6mm
[0072]
r＝dr
max
(1-(3.2x-44.73)2)
0.5
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0073]
很据各线性方程制备水下航行器后，在水下航行器外壳表面，沿轴向平行排列布置仿河鲀体刺减阻元。针对减阻元设计，考虑到自然界中水下生物河鲀，其独特的洄游特性以及长满脊椎的突起是河鲀减阻的原因之一，如图2所示，根据河鲀体刺外型锥形棘突和多爪脊柱外形，确定仿河鲀体刺减阻元整体为圆锥形，采用增材制造法3d打印制的。如图3所示，仿河鲀体刺减阻元高度h＝0.3mm，量纲化统一圆锥形减阻元的底面直径d，最终确定减阻元整体形状参数，具体公式如下：
[0074]
d＝cr×hꢀꢀꢀ
(6)；
[0075]
式(6)中，cr＝2～20。
[0076]
如图4和图5所示，在水下航行器的平行中体上设置仿河鲀体刺减阻元5，仿河鲀体刺减阻元5以(11排)轴向
×
(24列)周向排列在水下航行器上，定义起始减阻元顶点至所述原点o的轴向距离ls＝200mm，两减阻元顶点之间的轴向距离l
t
＝3.5mm以及oz轴与减阻元顶点的夹角为周向间隔角θ＝15
°
，最终确定排位位置为水下航行器平行中体，排布位置为平行排布。
[0077]
将拥有平行排布减阻元的水下航行器按雁群效应排列；
[0078]
参见图6，根据oxy二维平面参考坐标系，具有雁群效应的水下航行器包括主导式水下航行器6和随动式水下航行器7。主导式水下航行器7为x＝y＝0处，随动式水下航行器7为距离主导式水下航行器6相对位置x
l
和y
l
处。
[0079]
根据大雁在长途迁徙时以人字或一字的队形飞行，结合水下航行器按特定的舰队形状能够获得能量效应，主导式水下航行器在潜行过程中产生低速尾迹和低压侧流现象，随动式水下航行器按特殊方式跟随可以利用速度差或者压差来减少航行阻力，通过水下航行器长度l以及相对位置x
l
和y
l
,确定了无量纲参数描述水下航行器编队布局，具体地，两个无量纲参数a和b通过如下公式确定：
[0080]
a＝x
l
/l
ꢀꢀꢀ
(7)；
[0081]
b＝y
l
/l
ꢀꢀꢀ
(8)；
[0082]
根据仿真实验阻力结果，结合阻力系数计算公式，确定了主导式水下航行器以及随动式水下航行器无量纲阻力系数c
l
和cf，具体公式如下：
[0083][0084][0085]
式中，f
l
和ff为仿真得到的主导式水下航行器以及随动式水下航行器阻力值，ρ＝998.5kg/m3；由于仿河鲀体刺减阻元设置在平行中体上，s为平行中体的界面面积，等于0.002m2；u＝3.05m/s。
[0086]
根据所述的a和b两个无量纲参数范围，结合主动式水下航行器和随动式水下航行器阻力系数比c
l
/cf，可以描述一系列的水下航行器布局，包括平行区域、串联区域、拉动区域和推动区域。
[0087]
详细的说，平行区域位于a＝0处，由于水下航行器几何位置对称，主动式水下航行器和随动式水下航行器阻力比为c
l
/cf≈1。
[0088]
串联区域位于b＝0处，随动式水下航行器紧随主动式水下航行器身后，并且主导式水下航行器阻力减小，即主导式水下航行器和随动式水下航行器阻力比c
l
/cf≈1。
[0089]
拉动区域主要位于0.2《b《0.6，0.25《a《1，主导式水下航行器拉动随动式水下航行器移动，导致主导式水下航行器阻力增大，随动式水下航行器的阻力反向减小，即主导式水下航行器和随动式水下航行器阻力比c
l
/cf》1。
[0090]
推动区域主要位于0.1《b《0.6，a》1.25，随动式水下航行器推动主导式水下航行器移动，导致主导式水下航行器阻力减小，随动式水下航行器的阻力反向增大，即主导式水下航行器和随动式水下航行器阻力比c
l
/cf《1。
[0091]
本实施例中压差阻力，粘性阻力以及总阻力随仿河鲀体刺高度0.2-0.6mm变化曲线如图7所示：减阻率分别为11.13％，11.89％，12.50％，12.93％，14.91％。
[0092]
本实施例中高度h＝0.3mm表面摩擦系数变化曲线如图8所示。具有人字阵排布和仿河鲀体刺的水下航行器所受粘性阻力，压差阻力，总阻力明显小于光滑上下平行排布的水下航行器，说明都具备较大的减阻优势，高度h＝0.3mm表面摩擦系数整体明显小于光滑的水下航行器，说明较大程度上降低水下航行器表面粘性阻力。
[0093]
本实施例中无量纲平均壁面法向速度如图9所示。高度h＝0.3mm，0.4mm，0.5mm的无量纲壁面法向速度明显高于光滑水下航行器，说明具有一定的减阻效果。
[0094]
本发明具有雁群效应和仿河鲀体刺的水下航行器复合减阻方法，能够使减阻效果有效叠加，减阻率大于10％，保证水下航行器获得最大减阻收益，最终提高水下航行器航行速度并且降低能量消耗。