小型水下載具之設計與分析

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小型水下載具之設計與分析

潘子恆、黃世疇 國立高雄應用科技大學機械工程系 E-mail : 1096303125@cc.kuas.edu.tw

摘要

本文研究小型水下載具之外型設計，並對相關流場進行分析，文中將載具外型以套裝軟體SOLIDWORKS 建模，再將所建模組匯入分析軟體FLUENT 進行初步流場分析，根據分析結果顯示，圓柱型載具有較佳的抗壓性。接著考量外殼的材質，選擇以圓柱型載具為製作的基本外型，經過數次改良、測試，以TG11-315MHz 無線發射接收模組為主要控制模組，製作出改良後之實體模型，再對改良後實體模型依原照實際尺寸建模，匯入FLUENT 做升力分析。最後對改良後實體載具進行水中升力測試，利用活動式夾具調整不同攻角，迴流水槽則調整不同水流速，結果顯示當攻角為-2 度時可以讓載具保持一直線前進，當攻角小於-5 度時則可以增 加下潛效率。 關鍵詞：小型水下載具、模擬分析、升力

1. 前言

載具小型化是未來重要的研究方向，因為載具小型化後，除了可順利完成工作，其所消耗的資源，包含材料與動力能源皆可大幅節省下來，且大量生產的方式也比較容易達成，最重要的是小型載具有較小體積，因此可以在有限的空間運作。海洋對人類的發展有著重要的影響，因為它覆蓋著地球四分之三的表面，從1969 年人類首次登陸月球到 1995 年水下無人探測艇下潛到地球最深的馬里亞納海溝(10911 公尺)相隔了有 20 年之久[1]，近年來人們對於海洋的探勘與開發不遺餘力，如海洋石油開發、海底礦物資源開發、海產養殖、海下工程、海底光電纜鋪設，對未來人類的生活將產生極大的影響，因為海下為一充滿變數的危險環境，為了降低人類在海下工作的危險性，於是有了各種水下技術的研發，包括水下載具、水下機器人與各種水下感測技術，如聲納系統、海洋觀測技術、全球定位系統、慣性導航系統等[2]。

水下載具分為遙控水下無人載具(Remotely Operated Vehicle，ROV) 與自主式水下載具(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)。兩者主要差異在於遙控水下無人載具之動力與信號控制都是透過連接著母船和載具的電纜傳輸，而自主式水下載具則是自備動力源，但在下水前也會先行用電纜線進行充電和輸入控制程式，另外透過聲學調變器(Acoustic Modem)協助與母船之間的訊號傳輸。水下載具提供水下作業系統在水中運作或巡航的能力，而接於水下載具上的機械手臂則負責執行各種操控的細部工作，如操控工具進行量測及採樣等，工具則包含了採水器、採泥器、鑽岩器、浮游生物網、各種魚類採取器和各種檢測裝置。由於海洋探勘日益受到重視，仿生魚水下載具已有許多相關研究，但對有良好游動能力和耐壓结構的烏賊，目前仍無較多的研究，因此本研究將以仿烏賊之水下載具為基礎，並對相關的游動性質做分析，找出較佳的外型，最後將所得到的分析結果實體化。

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2. 流體理論

2.1 雷諾數範圍 雷諾數可視為慣性力和黏滯力之比，雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，流速微小的變化很容易發展形成紊亂及不規則的紊流流場。對於不同的流場，雷諾數可以有很多表達方式，這些表達方式一般都包括流體性質(密度、黏度)再加上流體速度和一個特徵長度或者特徵尺寸，這個尺寸一般是根據習慣定義的，對於管內流動和在流場中的球體，通常使用直徑作為特徵尺寸。黏性又稱黏度、黏滯係數，是度量流體隨剪應力或外部應力而形變時，流體抵抗形變的阻力，也可以表示流體內部的摩擦力大小。藉由公式(2.1)可先分析求得被測載具運動時的無因次參數雷諾數範圍。

Re

ρν

l

μ

=

(1) 雷諾數是物體慣性力與其所受黏滯力的比值，其中 ρ 為流體的密度，

ν

為物體相對於流體的速度，

l

為物體的特徵長度，

μ

為流體的黏滯係數。由公式(2.1)知，在雷諾數很小時，黏滯項主導流場；於雷諾數大時，則慣性項成為主角。 2.2 三維守恆方程式 理論模型係基於三維暫態質量和動量守恆方程式，並考慮可壓縮與紊流，應用Navier-Stokes 求解方程式以決定流場參數，其統御方程式可表示如下[3]：連續方程式：

(

)

(

)

(

)

0 u

w

t

x

y

z

ρ

ρν

ρ

∂

₊

∂

₊

∂

₊

∂

=

₍₂₎ 動量方程式：

(

qw

)

q u w

( )

q

( )

w

q w w

( )

t

x

y

z

ν

∂

+

∂

eff eff

v

w

u

w

z

y

z

x

p

y

x

y

μ

⎡

⎛

∂

⎞

⎤

⎡

⎛

∂

⎞

⎤

_∂

₊

∂

_⎢

_⎜

+

_⎟

_⎥

_⎢

_⎜

_⎟

_⎥

∂

⎣

⎝

⎠

⎦

⎣

⎝

⎠⎦

= −

+

∂

2

3

eff eff

w

V

z

μ

∂

μ

⎡

⎤

∂

_⎢

−

∇

_⎥

∂

⎣

⎦

+

∂

uv

(3) 其中

V u v w q p

, , , , , ,

μ

eff

uv

分別代表速度向量

x y z

, ,

方向速度分量、壓力、有效黏滯係數(其中包含流體黏滯係數與紊流黏滯係數兩部分，而

μ

eff

=

μ μ

l

+

t_；

u

v

w

V

x

y

z

∂

∇ =

+

∂

uv

。

k e

−

紊流方程式: 2 t

C

μ

ρ

k

μ

ε

=

(4) 式中為紊流動能，常數值設定為

k

C

μ=0.09、

C

e1=1.44、

C

e2=1.92、

s

k=1.0、以及

s

e=1.3。

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3. 計算流體動力學

計算流體動力學(Computation Fluid Dynamics, CFD) 是建立在流體力學與數值計算方法基礎上的一門新型獨立科學。CFD 應用計算流體動力學理論與方法，利用擁有較佳數值運算能力的電腦，編寫電腦運算程式，數值求解滿足不同種類流體的運動和熱傳三大守恆定律，及附加的各種模型方程所組成的非線性偏微分方程組，得到確定邊界條件下的數值解，它兼具理論與實踐的特點，為現代科學中許多複雜流動與熱傳問題提供有效的解決方法[4]。研究中對 AUV 載具作流體動力模擬，掌握載具之係數與運動特性，再利用實際模型之實驗解析做驗證與比較，以了解模擬與實驗間的差異，作為之後設計的參考。本研究使用的是與FLUENT 搭配的 GAMBIT 軟體，在此軟體中可利用其內建的繪圖功能將模擬的物體繪製出來，再利用內建的劃分網格工具將繪製完成後的3D 幾何圖進行網格劃分。 3.1 載具建模 載具基本分為圓柱型 (Kenkey 電子公司代理之可充電 Mini 潛艇型號#8875)，和扁圓型(巨崗洋行代理的 6 向通道潛艇型號#83521)，如圖 1、圖 2 所示：

圖1 圓柱型小型載具圖 2 扁圓型小型載具接著利用電腦輔助繪圖軟體SOLIDWORKS 對載具進行模型建構，再將完成檔案轉成 IGES 檔匯入另一套電腦輔助軟體AutoCAD 中進行處理，在 AutoCAD 中將多餘的部份刪除只留下上視圖，再匯進 GAMBIT 做流場與速度場分析。由於在不同的軟體內部尺寸之初始設定皆不相同，因此我們必需調整尺寸，力求與實際的水下載具尺寸相符，避免造成失真導致運算結果錯誤，圖 3、圖 4 是依照實際尺寸所建構之載具模型圖，表一為兩種基本型載具之特徵尺寸表，藉由特徵尺寸表可以對載具實際大小有更清楚的認知。

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表一載具特徵尺寸表名稱圓柱型載具尺寸 (mm) 扁圓型載具尺寸 (mm) 全長 120 90 船首半球體直徑 19.33 25 船身體長 45 62.5 船身直徑 32.67 20.1 船尾長 52 2.5 船尾錐體直徑 16.34 無本研究載具圖型為圓弧和各種曲線交替，因此選用三角形做為網格單元，外框的長寬均約為270mm，網格設為2000，接著設定邊界條件，如表二所示，然後再設定數值方法，如表三所示。表二載具邊界條件設定邊界設定條件入流區(velocity inlet) 載具前端平面為入流區出流區 (outflow) 載具後端平面為出流區牆面(wall) 載具本身和載具左右外框之平面流體種類 (water-liquid) 水，密度為97.1 ，動力黏滯係數為 0.001003 3

kg/m

kg/m-s

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表三載具模擬之數值方法計算模型數值方法求解壓力與速度耦合計算 (Pressure-Velocity Coupling) SIMPLE 離散格式 (Discretization) 一階迎風格式 (First order upwind

scheme) 殘值(residual) 小於

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-1 紊流模型(Viscous model) K-Epsilon 3.2 初步分析 分析中於入流區水流速均設為0.38m/s，圓柱型載具經過 200 次疊代，殘值趨於收斂，扁圓型載具在經過 60 次疊代後趨於收斂，圖 5、圖 6 可以明顯看出在載具艏部的前頭一點所受的壓力最大，圖 7、圖 8 則顯示艏部的前頭一點流速最小，此點稱為停滯點，而四張圖綜合比較可以看出在載具半徑擴張、縮減處壓力較小，速度較快。圖5 圓柱型水下載具之壓力場分佈圖圖 6 扁圓型水下載具之壓力場分佈圖圖7 圓柱型水下載具之速度場分佈圖圖 8 扁圓型水下載具之速度場分佈圖

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雖然圓柱型載具和扁圓型載具在壓力和速度場的分佈情形大致相同，扁圓型載具的速度最大值可到 0.608m/s，比圓柱型載具的最大速度值 0.57m/s 還高 0.038，但整體來看差異並不大，反而壓力場有顯著的不同，扁圓型載具所受到最大壓力為78.9pa 高於圓柱型載具的 78.4pa，扁圓型載具壓力場整體觀察也高於圓柱型載具，考量到在未來製作載具方面，外殼使用壓克力材質，故選擇抗壓性較高，容積效率較佳的圓柱型載具為基本型來進行製作。 3.3 原型機Ⅱ號之模擬分析 經過基本型→原型機Ⅰ號→原型機Ⅱ號，載具定型後開始進一步分析，圖 9 為加裝翼板後之原型機Ⅱ號模型圖，表四為原型機Ⅱ號載具特徵尺寸表。圖9 加裝翼板之原型機Ⅱ號表四原型機Ⅱ號載具特徵尺寸表名稱尺寸/位置(mm) 全長 470 船首半球體直徑 40 船身體長 400 船身直徑 40 船尾錐體長 40 船尾錐體直徑 40 左/右翼展 150 左/右翼展長 100 首先將建模圖檔匯入GAMBIT 後，進行網格劃分，選用三角形做為網格單元，外框的長寬改為各 700mm，網格設為7000，邊界條件和數值模擬方法則同初步分析所設定，但殘值改為小於，離散格式從一階迎風格式改為二階迎風格式(Second order upwind scheme)，經過 23 次疊代收斂，其中速度場分佈圖(如圖 10)和壓力場分佈圖(如圖 11)除了停滯點和基本的圓柱型載具相同外，在兩翼前緣也承受主要的壓力，速度本來在基本型是在載具半徑擴張、縮減處較快，這裡則轉移到翼板兩側最外緣的地方，這些情形都符合柏努利方程式 (Bernoulli Equation)。

3

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圖10 原型機Ⅱ號速度場分佈圖圖 11 原型機Ⅱ號壓力場分佈圖根據文獻[5]選用 Quabeck3.5/8 翼型剖面，裝有翼板之載具，主要升力由翼板所提供[3]，因此我們在這裡省略載具主體，主要對翼板做升力分析，將翼剖面圖檔匯入GAMBIT 裡，邊界條件和數值方法同原型機Ⅱ號整體分析之設定，入流區水流速設為0.38m/s，經過計算分析後可得到速度、壓力分佈流場，此時對載具邊界壓力積分，在行進方向可得到載具所受到之阻力，與行進方向垂直則為載具升力，藉由改變翼剖面的角度如同改變整體載具之攻角，進行分析，最後將所得之升力乘以二即為整體載具所得到之升力。圖12 到圖 16 為翼板在攻角 0 度、攻角 5 度、攻角-5 度、攻角 10 度、攻角-10 度，流速均為 0.38m/s，所分析得到之壓力場分佈圖。

圖12 攻角 0 度、速度 0.38m/s 之翼剖面壓力分佈圖圖 13 攻角 5 度、速度 0.38m/s 之翼剖面壓力分佈圖

圖14 攻角-5 度、速度 0.38m/s 之翼剖面壓力分佈圖圖 15 攻角 10 度、速度 0.38m/s 之翼剖面壓力分佈圖

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圖16 攻角-10 度、速度 0.38m/s 之翼剖面壓力分佈圖由圖12 到圖 16 中可以看出當攻角為 0 度時，翼板下方壓力較上方大，此時翼板提供一升力使載具上浮，當攻角角度越大時，翼板上下間的壓差越大，所提供的升力也越大，載具較易上浮，反之，當攻角越小時翼板上方壓力大過翼板下方壓力，則越容易下潛。接著我們比較圖14 和圖 16，圖 14 中翼板所受壓力最大值在前端上緣，最小值在翼板後端上緣，這時載具的動作將是往前翻轉，當翻轉到攻角為-10 度時(如圖 16 所示)，壓力最大值的位置僅稍微往上移一點，但最小值卻分佈在整個翼板下方，此時載具將停止翻轉而是直接下沉，因此當載具要下潛時，除了升降馬達外，還可以利用裝置調整攻角，使下潛效率增加。

4. 載具製作

經由FLUENT 模擬得出圓柱型載具抗壓性較優，因此選擇圓柱型載具做為製作的基本型，載具結構主要分為前區段、控制艙、推進段和後區段，而艙區外殼皆使用壓克力材料作為耐壓結構殼。在艙間接頭設計上，使用凹凸相間之之壓克力殼，並將O 型環(O-ring )置於其間，採用卡榫的方式，使兩端緊密接合壓迫 O 型環達到水密，再以熱熔膠固定壓力殼兩端之端蓋，防止鬆脫。 4.1 原型機Ⅰ號之製作 取基本型載具之升降馬達前端部份為區段1，光二極體控制模組電路板(6cm×3cm) 為區段 2，如圖 17 所示，區段 3 為推進段，主要是裝載推進器，這裡我們的推進器採用研能科技公司所生產之壓電微幫浦，如圖 18 所示。

圖17 載具前段部份(左為區段 1、右為區段 2) 圖 18 壓電幫浦實體圖區段4 為尾端螺旋槳部份，如圖 19，螺旋槳主要控制左右方向的迴轉。

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圖19 尾端部份原型機Ⅰ號在這裡所使用的電池是由3 顆(每顆 1.2V)鎳氫電池所並聯之電池組，其總長為 220mm，直徑 40mm，經過實際測試發現載具接收發之訊號距離過短，僅 1 公尺，如超過此距離將會接收不到訊號，造成載具不受控制，當載具位於水中時，欲使載具上浮到水面，Ⅰ號機上浮速度相當緩慢，原本升降馬達的使用壽命約為 3~5 小時(非連續使用)，經過數次上升下潛的動作，只 1 小時就宣告損壞，除了以上兩點缺失，船身 220mm 略短，使得整體操控不穩定，因此著手進行原型機Ⅱ號之製作。 4.2 原型機Ⅱ號之製作 原型機Ⅱ號保留了Ⅰ號機區段1、區段 3、區段 4，主要對區段 2 也就是電路控制的部份進行改良，這裡使用TG11-350MHz 無線發射接收模組，以及積體電路 HT-12E 和 HT-12D 作編碼與解碼的動作。 TG11 可分為發射模組及接收模組(如圖 20 所示)，但若只用 TG11 模組遙控電路動作，則極容易受到雜訊或同頻率的訊號干擾，所以在發射端加入了HT-12E 的積體電路作為編碼用途，利用指撥開關設定密碼，再藉由發射模組傳送出去。當接收模組收到訊號時，必須將訊號送到 HT-12D 中解碼，解密碼是透過指撥開關設定，需要與發射端相同一組密碼，才能讓HT-12D 正常解碼。圖20 左為 TG11 發射模組，右為 TG11 接收模組按照TG11 無線發射模組電路圖將相關零件焊接上電路板(如圖 21、圖 22)。

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圖21 訊號發射電路板圖 22 訊號接收電路板因為船身增長所以再加裝一顆升降馬達，電力方面也增加，採用 5 顆鎳氫電池並聯之電池組，鎳氫電池每顆 1.2V，總電壓為 6V，各段部份做好水密工作，再用熱溶膠密封接起，完成原型機Ⅱ號之製作，如圖 23 所示。圖23 原型機Ⅱ號與控制電路板原型機Ⅱ號總長470mm，直徑 40mm，經由實際下水測試，接收發訊號距離延長到 2 公尺，但訊號源仍不穩定，另外電力也容易耗盡(僅持續作動 10 到 15 分鐘)。研究中發現當電源使用電源供應器時因為有穩定輸出的電壓、電流，所有的作動控制皆正常，但當電源換成電池後，只有在電源剛開啟的前 5 分鐘正常，5 分鐘後我們發現在電路線末段，也就是連接馬達的電路線段，如圖24，電壓和電流會突然大幅的下降，因此針對訊號和電源這兩部份進行改善。圖24 紅圈部份為從電路板接到馬達的接點 (1)電源部份：使用雙電源系統，即繼電器部份使用一顆6V 的電池組，其他部份使用另一顆 6V 的電池組，而發射訊號板的電源使用電池盒，並利用麵包板當作中繼站，這樣可以穩定電壓、電流。

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(2)訊號部份：原來使用TG11-350MHz 改用 TG11-315MHz，電路板原來的天線則用一般的金屬天線代替而外露，以減少訊號的阻隔，並在電池連接電路板中間串接一指示燈，可以藉由指示燈知道電流是否順利流通。最後完成改良後之原型機Ⅱ號，如圖25 所示。圖25 改良後之原型機Ⅱ號改良後之原型機Ⅱ號總長仍為470mm，直徑 40mm，經過測試，訊號接收範圍可達 5 公尺，水下為 1 公尺，電力可持續至30 分鐘，當電力要耗盡時，指示燈會先消失不亮，之後才會接收不到訊號而讓馬達空轉，因此可以讓我們提早知道電力不足而去更換，雙電源使電力較為充足，也可以穩定訊號的接收，另外控制部份需加裝翼板(保持平衡)，可以穩定控制。

5. 流體升力實驗

5.1 實驗儀器設備 本實驗於成功大學系統及船舶機電工程學系的迴流水槽進行，其外觀如圖26 所示。圖26 水平循環式迴流水槽為了量測水流之實際流速，使用電磁式流速計作為量測工具，測量範圍從0 到 2.5 m/s，可承受最大壓力為水面下10 公尺處。升力量測上，則是使用型號 Transducer Techniques SSM-500 的荷重元(load cell)，可量測的最大範圍為500 lbs。另外使用 InstruNet 擷取設備，擷取設備包含四個部份：1.數位-類比訊號轉換卡 2. 電源訊號傳輸線 3.訊號匯集裝置 4.電源供應器，圖 27 為量測設備架構圖。

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圖27 整體架構圖 5.2 載具架設與量測 將載具以支架固定於迴流水槽中，可利用架上之調整機構調整載具的攻角，荷重元置於中間支柱與平板間(圖 28 箭頭處)，只固定荷重元下端於支柱上。利用載具本身的浮力上浮，將荷重元上頂，使之維持與上方平板接觸，接觸過程承受約2.1 lb 之力，當迴流水槽內水流開始流動後，載具會受到翼板所提供向上之升力，此升力將載具與支柱上頂，便可由荷重元之讀值得知此時之升力。圖28 載具模型架設

6. 實驗結果討論

圖 29、圖 30 分別為不同攻角與速度下之升力模擬數據和實驗數據，從裡面可以看到在不同攻角和不同速度下其升力趨勢大致相同，在攻角為-5 度和-10 度時升力均為負值代表載具會往下沉。

圖 29 升力模擬數據圖圖 30 升力實驗數據圖

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圖31 至圖 35 為各組攻角下不同流速模擬和實驗數據之比較圖，各組實驗數據都比模擬數據高，可能原因為翼板的加工有所誤差，設備架設時有角度的偏差。圖 31 攻角 0 度下之比較圖圖 32 攻角-5 度下之比較圖圖 33 攻角-10 度下之比較圖圖34 中速度在 0.05m/s 到 0.065m/s 間和圖 35 中速度在 0.14m/s 到 0.175m/s 間分別有兩小段模擬值比實驗值還高，原因為載具有些微浸水，導致重量增加使荷重元量測到的數值較小。

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圖34 攻角 5 度下之比較圖圖 35 攻角 10 度下之比較圖圖36 和圖 37 為不同速度下攻角與載具升力之模擬數據和實驗數據圖，我們可以發現在攻角-2 度~-2.5 度間，其升力約為0，因此如果我們想保持一個方向前進，可以將攻角下潛到-2 度~-2.5 度。

圖36 模擬數據圖圖 37 實驗數據圖

7. 結論

本研究利用FLUENT 套裝軟體對圓柱型和扁圓型載具做分析比較，得出圓柱型載具為抗壓性較佳之船體型狀。接著利用雙電源系統和改良訊號系統，不但提升小型水下載具之續航力並且讓載具在接收訊號上也較為穩定。升力分析部份當載具要下潛時，可以利用裝置調整使攻角小於-5 度，會增加下潛效率。在不同速度下攻角與載具升力之模擬數據和實驗數據攻角-2~-2.5 度下其升力約為 0，因此想保持一個方向前進，不上升和下潛，可以將攻角下潛到-2 度。

參考文獻

[1] http://www.robotworld.org.tw/index.htm，機器人世界情報網。 [2] 鄭勝文，邱逢琛，水下技術概論，國立編譯館，1997。 [3] 江品萱，自主型水下載具模組化規劃與流體動力之模擬測試，成大系統及船舶機電工程學系碩士論文，2009。 [4] 王瑞金，張凱，王剛，FLUENT 技術基礎與應用實例，北京清華大學出版社，2007。 [5] 莊定諺，運用大陽能與滑翔翼板增加水下載具續航時間之評估，成大系統及船舶機電工程學系，碩士論文，2008。

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