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跨介质机器人推进性能CFD仿真研究

孙宇锋 周晶 赵黎明 刘妹琴

孙宇锋, 周晶, 赵黎明, 等. 跨介质机器人推进性能CFD仿真研究[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(1): 1-15 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0118
引用本文: 孙宇锋, 周晶, 赵黎明, 等. 跨介质机器人推进性能CFD仿真研究[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(1): 1-15 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0118
SUN Yufeng, ZHOU Jing, ZHAO Liming, LIU Meiqin. CFD Simulation for the Propulsion Performance in Cross-Medium Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0118
Citation: SUN Yufeng, ZHOU Jing, ZHAO Liming, LIU Meiqin. CFD Simulation for the Propulsion Performance in Cross-Medium Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0118

跨介质机器人推进性能CFD仿真研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0118
基金项目: 国家重点研发计划(2024YFB4710602); 浙江省杰出青年基金(R25F030023).
详细信息
    作者简介:

    孙宇锋(2000-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人

  • 中图分类号: TJ631; U674.94

CFD Simulation for the Propulsion Performance in Cross-Medium Robot

  • 摘要: 为应对复杂海洋环境中跨介质作业的需求, 针对一款具备空中与水下双模态运动能力的跨介质机器人, 开展了推进系统的计算流体动力学(CFD)研究。由于空气与水在密度、黏性等物理性质上存在显著差异, 传统单环境推进器难以兼顾空、水2种介质的高效推进。文中建立了涵盖空中与水下2种典型工况的三维瞬态CFD模型, 采用滑移网格与流体体积(VOF)方法, 对单螺旋桨与多推进器耦合系统进行对比仿真分析。研究揭示了跨介质推进系统在推力系数、推进效率与尾流干扰等方面的差异性及规律。结果表明, 在3 kn航速下, 水下推进系统效率最高可达48.48%, 显著高于空中推进系统(7.43%); 多推进器协同运行会引起尾流耦合干扰, 但在合理布局下可提升整体效率。文中构建了统一的空-水推进CFD分析框架, 提出了一种跨介质推进性能定量评估方法, 为跨介质机器人推进系统的布局优化与多模态协同设计提供理论参考。

     

  • 图  1  跨介质机器人整体结构图

    Figure  1.  Overall structural diagram of the cross-medium robot

    图  2  跨介质机器人整体驱动框图

    Figure  2.  Overall drive block diagram of the cross-medium robot

    图  3  空中螺旋桨

    Figure  3.  Aerial propeller

    图  4  水下螺旋桨

    Figure  4.  Underwater propeller

    图  5  空中螺旋桨计算域的尺寸及边界条件(单组)

    Figure  5.  Dimensions of the computational domain and boundary conditions of the aerial propeller(single)

    图  6  空中螺旋桨中纵剖面的网格划分(单组)

    Figure  6.  Mesh distribution of the aerial propeller on the central longitudinal section(single)

    图  7  空中螺旋桨表面的网格划分

    Figure  7.  Mesh distribution on the surface of the aerial propeller

    图  8  空中螺旋桨的边界层划分

    Figure  8.  Boundary layer division of the aerial propeller

    图  9  气动性能的时历结果

    Figure  9.  Time history of aerodynamic performance

    图  10  空中螺旋桨的压力分布

    Figure  10.  Pressure distribution of the aerial propeller

    图  11  空中螺旋桨速度场的分布(单组)

    Figure  11.  Velocity field distribution of the aerial propeller (single)

    图  12  空中螺旋桨中纵剖面处的速度分布(单组)

    Figure  12.  Velocity distribution of the aerial propeller along the central longitudinal section(single)

    图  13  空中螺旋桨计算域的尺寸及边界条件(多组)

    Figure  13.  Dimensions of the computational domain and boundary conditions for aerial propellers (multiple)

    图  14  空中螺旋桨中纵剖面的网格划分(多组)

    Figure  14.  Mesh distribution of aerial propellers in the central longitudinal section (multiple)

    图  15  空中螺旋桨表面的网格划分

    Figure  15.  Surface mesh of the aerial propeller

    图  16  空中螺旋桨的边界层划分

    Figure  16.  Boundary layer division of the aerial propeller

    图  17  滑移网格区域

    Figure  17.  Sliding mesh region

    图  18  空中螺旋桨的编号

    Figure  18.  Numbering of aerial propellers

    图  19  气动性能的时历结果

    Figure  19.  Time history of aerodynamic performance

    图  20  空中螺旋桨的压力分布

    Figure  20.  Pressure distribution of the aerial propeller

    图  21  空中螺旋桨中纵剖面的速度场(多组)

    Figure  21.  Velocity field of aerial propellers in the central longitudinal section(multiple)

    图  22  空中螺旋桨位置的速度场(多组)

    Figure  22.  Velocity field at the aerial propeller position (multiple)

    图  23  水下螺旋桨计算域的尺寸和边界条件(单组)

    Figure  23.  Dimensions of the computational domain and boundary conditions for underwater propeller (single)

    图  24  水下螺旋桨中纵剖面的网格划分(单组)

    Figure  24.  Mesh generation of underwater propeller in the central longitudinal section(single)

    图  25  水下螺旋桨表面的网格划分

    Figure  25.  Mesh generation on the surface of the underwater propeller

    图  26  水下螺旋桨的边界层划分

    Figure  26.  Boundary layer division of the underwater propeller

    图  27  水动力性能的时历结果

    Figure  27.  Time history results of hydrodynamic performance

    图  28  水下螺旋桨的压力分布

    Figure  28.  Pressure distribution on the underwater propeller

    图  29  水下螺旋桨桨盘面位置的速度分布(单组)

    Figure  29.  Velocity distribution at the underwater propeller disk plane(single)

    图  30  水下螺旋桨尾流速度的分布(单组)

    Figure  30.  Distribution of the velocity of underwater propeller wake (single)

    图  31  水下螺旋桨中纵剖面处的速度分布(单组)

    Figure  31.  Velocity distribution on underwater propeller in the central longitudinal section(single)

    图  32  水下螺旋桨计算域的尺寸和边界条件(多组)

    Figure  32.  Dimensions of the computational domain and boundary conditions for underwater propellers (multiple)

    图  33  水下螺旋桨中纵剖面的网格划分(多组)

    Figure  33.  Mesh generation of underwater propellers in the central longitudinal section(multiple)

    图  34  空中螺旋桨表面的网格划分

    Figure  34.  Mesh generation on the surface of the aerial propeller

    图  35  水下螺旋桨的边界层划分

    Figure  35.  Boundary layer division of underwater propellers

    图  36  滑移网格区域

    Figure  36.  Sliding mesh region

    图  37  水下螺旋桨的编号

    Figure  37.  Numbering of underwater propellers

    图  38  水动力性能的时历结果

    Figure  38.  Time history results of hydrodynamic performance

    图  39  水下螺旋桨的压力分布

    Figure  39.  Pressure distribution on the underwater propeller

    图  40  水下螺旋桨桨盘面位置的速度分布(多组)

    Figure  40.  Velocity at the underwater propeller disk plane (multiple)

    图  41  水下螺旋桨尾流速度分布(多组)

    Figure  41.  Distribution of the velocity of underwater propeller wake (multiple)

    图  42  水下螺旋桨中纵剖面处的速度分布(多组)

    Figure  42.  Distribution of the velocity of underwater propellers in the central longitudinal section (multiple)

    表  1  计算工况

    Table  1.   Computational conditions

    名称空中水下
    空中驱动转速/(r/min)1 5000
    水下驱动转速/(r/min)01 500
    进速/kn33
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    表  2  空中螺旋桨3套网格的尺寸和数量(单组)

    Table  2.   Sizes and numbers of three mesh sets of the aerial propeller(single)

    网格编号网格质量最小网格尺寸/m网格总数
    1精细4.75×10−413 863 440
    2中等6.25×10−47 143 909
    3粗糙7.50×10−44 676 327
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    表  3  空中螺旋桨网格收敛性分析结果(单组)

    Table  3.   Results of grid convergence analysis for aerial propeller(single)

    物理量 $ \phi_{1} $ $ \phi_{2} $ $ \phi_{3} $ $ \phi_{\mathrm{ext}}^{21} $ $ e_{a}^{21} $ $ e_{\mathrm{ext}}^{21} $ $ GCI^{21}/{\text{%}} $
    推力系数 0.078 3 0.079 8 0.081 9 0.077 9 0.016 6 0.007 5 0.94
    转矩系数 0.011 4 0.011 8 0.013 0 0.011 3 0.035 1 0.005 5 0.69
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    表  4  气动性能的统计结果

    Table  4.   Statistical results of aerodynamic performance

    变量数值
    航速/kn3
    驱动转速/(r/min)1 500
    推力系数0.079 8
    转矩系数0.011 8
    功率系数0.073 8
    推进效率0.072 9
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    表  5  空中螺旋桨三套网格的尺寸和数量(多组)

    Table  5.   Sizes and numbers of three mesh sets for aerial propellers(multiple)

    网格编号网格质量最小网格尺寸/m网格总数
    1精细3.8×10−425 345 372
    2中等5.0×10−414 519 320
    3粗糙7.0×10−47 804 743
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    表  6  空中螺旋桨网格收敛性分析结果(多组)

    Table  6.   Results of grid convergence analysis for aerial propellers(multiple)

    物理量 ${\phi}_{1} $ $ \phi_{2} $ $ \phi_{3} $ $ \phi^{21}_{\mathrm{ext }}$ $ e_{a}^{21} $ $e^{21}_{\mathrm{ext}} $ $ GC I^{21}/{\text{%}} $
    推力/N 173.13 173.87 175.21 171.85 0.004 3 0.007 4 0.77
    转矩/$ \mathrm{N} \cdot \mathrm{~m} $ 22.76 23.15 23.24 23.67 0.017 1 0.003 8 0.38
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    表  7  气动性能的统计结果

    Table  7.   Statistical results of aerodynamic performance

    螺旋桨编号推力系数转矩系数功率系数推进效率
    10.081 60.011 80.074 00.074 3
    20.086 90.012 60.079 00.074 2
    30.082 00.012 00.075 50.073 2
    40.083 20.012 10.075 70.074 0
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    表  8  跨介质机器人航行时的升阻力

    Table  8.   Lift and drag forces during the navigation of the amphibious robot

    变量数值
    航速/kn3
    转速/(r/min)1 500
    升力/N173.87
    阻力/N5.98
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    表  9  水下螺旋桨3套网格的尺寸和数量(单组)

    Table  9.   Sizes and numbers of three mesh sets of the underwater propeller(single)

    网格编号网格质量最小网格尺寸/m网格总数
    1精细1.31×10−410 984 385
    2中等1.75×10−46 028 379
    3粗糙2.45×10−43 101 420
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    表  10  水下螺旋桨网格收敛性分析结果(单组)

    Table  10.   Results of grid convergence analysis for the underwater propeller(single)

    物理量 $ {\phi}_{1} $ $ \phi_{2} $ $ \phi_{3} $ $ \phi^{21} $ $ e_{a}^{21} $ $ {e_{{\mathrm{ext}}}}^{21} $ $ G C I^{21}/{\text{%}} $
    推力系数 0.443 2 0.440 6 0.432 1 0.444 7 0.005 9 0.003 3 0.41
    转矩系数 0.073 8 0.073 1 0.071 6 0.074 6 0.009 5 0.010 9 1.37
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    表  11  水动力性能的统计结果

    Table  11.   Statistical results of hydrodynamic performance

    变量数值
    航速/kn3
    驱动转速/(r/min)1 500
    推力系数0.440 6
    转矩系数0.073 1
    敞水效率0.441 7
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    表  12  水下螺旋桨3套网格的尺寸和数量(多组)

    Table  12.   Sizes and numbers of three mesh sets of underwater propellers(multiple)

    网格编号网格质量最小网格尺寸/m网格总数
    1精细2.250×10−418 041 700
    2中等3.125×10−49 121 663
    3粗糙4.125×10−45 522 231
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    表  13  水下螺旋桨网格收敛性分析结果(多组)

    Table  13.   Results of grid convergence analysis for underwater propellers(multiple)

    物理量 $ {\phi}_{1} $ $ \phi_{2} $ $ \phi_{3} $ $ \phi_{{\mathrm{ext}}}^{21} $ $ e_{a}^{21} $ $ e_{{\mathrm{ext}}}^{21} $ $ G C I^{21} /{\text{%}}$
    推力/N 327.73 326.82 324.97 328.12 0.0012 0.0028 0.15
    转矩/$ \mathrm{N} \cdot \mathrm{~m} $ 6.85 6.77 6.61 6.89 0.0117 0.0051 0.65
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    表  14  水动力性能的统计结果

    Table  14.   Statistical results of hydrodynamic performance

    螺旋桨编号推力系数转矩系数敞水效率
    10.427 20.065 90.476 8
    20.438 60.066 30.484 8
    30.372 60.059 60.458 6
    40.387 40.059 60.476 5
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    表  15  跨介质机器人航行时的升阻力

    Table  15.   Lift and drag forces during the navigation of the amphibious robot

    变量数值
    航速/kn3
    转速/(r/min)1 500
    升力/N326.82
    阻力/N636.24
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-03
  • 修回日期:  2025-11-12
  • 录用日期:  2025-11-17
  • 网络出版日期:  2026-01-20
图(42) / 表(15)

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