武建國，陳超英，王樹新，張宏偉，王曉鳴

混合驅(qū)動水下滑翔器滑翔狀態(tài)機翼水動力特性

武建國，陳超英，王樹新，張宏偉，王曉鳴

(天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300072)

將水下滑翔器和水下自航行器兩者功能集合于一身，提出了一種新概念混合驅(qū)動水下滑翔器．采用計算流體力學(xué)方法對混合驅(qū)動水下滑翔器滑翔狀態(tài)下機翼對滑翔經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的影響進行了數(shù)值模擬研究．正交試驗表明，其滑翔經(jīng)濟性受機翼弦長影響最為顯著；滑翔器的穩(wěn)定性受機翼的后掠角影響最為顯著；對4個具體模型在0°～20°攻角的進一步的數(shù)值模擬表明，機翼的位置主要影響滑翔穩(wěn)定性，對滑翔經(jīng)濟性影響較?。杵髟?°左右攻角航行時，具有最大的升阻比．研究為混合驅(qū)動水下滑翔器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)和參考．

混合驅(qū)動水下滑翔器；計算流體力學(xué)；滑翔經(jīng)濟性；穩(wěn)定性；水動力學(xué)

水下滑翔器又稱水下滑翔機器人或水下滑翔機，是一種利用浮力驅(qū)動的新型水下無人航行器，主要用于海洋環(huán)境測量．水下滑翔器續(xù)航能力大、噪音小、成本低，因此具有重要的軍事價值[1]．目前研制成功的水下滑翔器主要有3種[2-5]：Webb公司生產(chǎn)的Slocum滑翔器、華盛頓大學(xué)設(shè)計的Seaglider滑翔器以及Scripps海洋研究所研制的Spray滑翔器．這3種滑翔器的航程都超過了2,000,km，水下續(xù)航時間達到幾百天，甚至近1年[5]．然而，由于采用浮力驅(qū)動，水下滑翔器在水下只能做鋸齒形軌跡航行，其航跡精度和定位精度低，航速慢，在風(fēng)浪較大的海面可能會出現(xiàn)隨波逐流的情況．

水下自航行器[6-8](autonomous underwater vehicle，AUV)一般采用螺旋槳推進，具有較高的航跡定位精度和較快的航速，且可以做任意軌跡的航行．然而由于功耗大且受能源的制約，AUV的航程很短，一般在幾十千米到幾百千米．

基于上述分析，將大續(xù)航能力、高機動性以及高定位精度等性能集于一身，設(shè)計一種以滑翔為主同時具有浮力驅(qū)動和螺旋槳驅(qū)動的混合驅(qū)動的水下滑翔器是一個積極而有益的探索[8-9]．混合驅(qū)動水下滑翔器在滑翔狀態(tài)下主要關(guān)注滑翔經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，而在螺旋槳驅(qū)動下更為關(guān)注航行的機動性．其中機翼對滑翔經(jīng)濟性和穩(wěn)定性有關(guān)鍵性的影響，研究機翼在滑翔狀態(tài)下的水動力特性是設(shè)計的關(guān)鍵，也是螺旋槳驅(qū)動下機動性研究的基礎(chǔ)．

航行器設(shè)計初期，水動力學(xué)參數(shù)主要通過模型試驗和數(shù)值模擬兩種方法獲取[10]，其中模型試驗耗資巨大，試驗周期長，尤其是在初步選型階段，設(shè)計人員需要對一系列方案進行比較，模型試驗的弊端顯而易見．隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬進行初期的水動力學(xué)參數(shù)計算已成為可能[11]；且用數(shù)值模擬完成新設(shè)計所需時間短、成本小，比試驗研究更自由、靈活，可以無限量地提供研究結(jié)果的細節(jié)，便于優(yōu)化設(shè)計；具有重復(fù)性好、條件容易控制等優(yōu)點．

筆者采用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的方法，在保持滑翔器主體與舵尺寸不變的情況下，通過改變NACA0010機翼的弦長、展弦比、后掠角以及機翼的位置，對滑翔器滑翔狀態(tài)下的滑翔經(jīng)濟性和穩(wěn)定性進行了4因素、3水平的正交模擬試驗；并在正交試驗基礎(chǔ)上，進一步研究了4個具體模型在0°～20°攻角下的水動力性能．

1 數(shù)值計算方法

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

混合驅(qū)動水下滑翔器計算模型如圖1所示，圖中坐標原點位于航行器機身縱軸的中心點．該模型是在滑翔器基礎(chǔ)上增加螺旋槳和尾舵構(gòu)成的．滑翔器采用滑翔方式實現(xiàn)低速、長距離運動，而在螺旋槳驅(qū)動下實現(xiàn)短期定深、快速航行以及轉(zhuǎn)向等機動動作．滑翔器主體外殼直徑為0.25,m，長徑比為10；模型選用3葉B型、直徑為0.2,m、盤面比為0.35的螺旋槳；滑翔器尾舵平均弦長為0.15,m，展弦比為1.72；舵距中心的距離為1.0,m．別，雷諾數(shù)的定義為

圖1 混合驅(qū)動水下滑翔器模型Fig.1 Hybrid-driven underwater glider model

式中：ρ為流體密度；v為流體運動速度；L′為流動特征尺度；μ為流體動力黏性系數(shù)．對于外流場，轉(zhuǎn)捩點大約發(fā)生在Re＜106，當雷諾數(shù)Re＜5×105時，則一定為層流邊界層；而Re＞2×106則是湍流邊界層或者湍流流動占主要部分[12-14]．混合驅(qū)動水下滑翔器在兩個不同航速下對應(yīng)的雷諾數(shù)如表1所示．由于設(shè)計的混合驅(qū)動水下滑翔器在兩個航速情況下雷諾數(shù)都已超過臨界雷諾數(shù)，故模擬采用湍流模型進行．模擬時假定流體為不可壓縮連續(xù)性介質(zhì)，控制方程組為描述牛頓流體的連續(xù)方程及N-S方程[10-11]，湍流方程采用RNG k-ε 模型[15]．

表1 不同航行模式下雷諾數(shù)ReTab.1 Re in different sail modes

1.2網(wǎng)格劃分及邊界條件

網(wǎng)格劃分時采用尺寸函數(shù)與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法相結(jié)合，這樣既可以保證整體網(wǎng)格疏密的合理分布，又可以使網(wǎng)格的生成方法簡單方便．航行器尾部網(wǎng)格劃分如圖2所示．

圖2 混合驅(qū)動水下滑翔器尾部網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation on the tail of hybrid-driven underwater glider

計算采用的邊界條件有4個．

(1)速度入口邊界條件：距離物體頭部1.1倍航行器長度處，取速度入口條件．

(2)出口邊界條件：出口邊界設(shè)置于離航行器尾1.1倍長度處，取自由出流條件．

(3)固壁邊界條件：航行器所有壁面均設(shè)定為靜止無滑移壁面，壁面粗糙度取為0．

(4)池壁邊界條件：無滑移壁面．

1.3模型的驗證

為驗證數(shù)值計算的準確性，按照上述方法計算的Slocum滑翔器[5]在不同攻角下的阻力系數(shù)和文獻[16]中的試驗數(shù)據(jù)對比如表2所示．表3為實驗室設(shè)計的AUV光殼體在不同航行速度下阻力的數(shù)值計算值和試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果．由表2和表3可見，計算結(jié)果和試驗結(jié)果相近，最大誤差不超過9.35%，驗證了數(shù)值計算的可靠性．

表2 阻力系數(shù)CD數(shù)值模擬結(jié)果驗證Tab.2 Verification of numerical simulation results of CD

表3 AUV光殼體阻力數(shù)值模擬結(jié)果驗證Tab.3 Verification of numerical simulation resultsof drag of AUV shell

2 正交模擬試驗的建立與分析

2.1正交因素與水平

在以上數(shù)值計算方法可靠的基礎(chǔ)上，對主體尺寸相同的情況下改變NACA0010機翼弦長、展弦比、后掠角和機翼根部中心距滑翔器中心位置，在攻角α=6°、航速為0.5m/s的情況下進行了4因素3水平的正交數(shù)值模擬試驗，其中機翼位置是指機翼中心點到滑翔器機身坐標中心點之間的距離，方向按照圖1所示的坐標取定．設(shè)計正交表為L18(37)．試驗因素和因素水平如表4所示．

表4 正交試驗表Tab.4 Orthogonal experiment table

2.2分析指標

為確定機翼對滑翔經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性的影響，滑翔經(jīng)濟性由滑翔器的升阻比L/D來評價[17-19]，升阻比越大，滑翔經(jīng)濟性越高；水下滑翔器一般設(shè)計為靜穩(wěn)定的[16]，滑翔器的靜穩(wěn)定性可以用無因次水動力中心臂lα′作為判據(jù)[20-21]，

式中：l為滑翔器長度；Mα為由于攻角α產(chǎn)生的水動力力矩；Lα為由于攻角α產(chǎn)生的升力．當0lα′＞時，攻角增量αΔ產(chǎn)生的力矩使得αΔ繼續(xù)增大，這種情況稱為靜不穩(wěn)定；當0lα′=時，αΔ不會產(chǎn)生力矩增量，稱為中性穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定；當0lα′＜時，αΔ產(chǎn)生的力矩使得滑翔器向原位置回轉(zhuǎn)，這種情況稱為靜穩(wěn)定．

本文分析中，滑翔經(jīng)濟性僅從水動力學(xué)角度進行探討，至于機翼水動力和靜穩(wěn)定性對滑翔經(jīng)濟性的耦合影響在這里暫不進行討論．

2.3影響因素分析

正交試驗結(jié)果如表5所示．

表5 正交表L18(37)及試驗結(jié)果Tab.5 Orthogonal table L18(37)and experimental results

圖3和圖4分別為4因素對L/D和lα′的影響趨勢．由圖可知，L/D隨著弦長、展弦比的增加而增加，而隨著后掠角的增大而下降，L/D與機翼位置關(guān)系不大．當機翼位于水動力焦點之后時，lα′隨著弦長、展弦比和后掠角的增加而減小，即穩(wěn)定性增加，機翼的位置越靠后其穩(wěn)定性越高．

采用極差分析法對結(jié)果分析可知，機翼弦長、展弦比、后掠角和位置對L/D的極差分別是2.448、1.077、1.303和0.312．可見，各因素對L/D影響的重要性排序依次為弦長、后掠角、展弦比和位置．由方差分析可知，弦長在顯著性水平0.10與0.05上對指標L/D的影響是顯著的．

同樣，對指標lα′進行極差分析可知，機翼弦長、展弦比、后掠角和位置對指標lα′的極差分別是0.051、0.037、0.095和0.031．可見，各因素對lα′影響重要性排序依次為后掠角、弦長、展弦比和位置．由方差分析可知，后掠角在顯著性水平0.10與0.05上對lα′的影響是顯著的．

圖3 L/D變化趨勢Fig.3 L/D trend of change

圖4 lα′變化趨勢Fig.4 lα′trend of change

由上述分析可知，在滑翔狀態(tài)下，為提高滑翔經(jīng)濟性應(yīng)盡量增加機翼的弦長和展弦比，同時減小機翼的后掠角；但為提高航行器的穩(wěn)定性，又需要增大機翼的后掠角以及將機翼后移來實現(xiàn)．可見，增加機翼后掠角對提高滑翔器滑翔經(jīng)濟性和增加穩(wěn)定性這兩方面是矛盾的，設(shè)計需要時根據(jù)其他性能要求來選擇．

3 具體模型分析

為進一步研究在不同航行攻角下機翼對L/D和lα′的影響以及其舵、螺旋槳對滑翔狀態(tài)的影響，對表6所示的4個具有不同機翼參數(shù)的具體模型進行了航速為0.5 m/s、攻角為0°～20°的數(shù)值模擬．依據(jù)正交試驗結(jié)果和指標-因素分析，表6中模型1具有最大的滑翔經(jīng)濟性和最高的滑翔穩(wěn)定性.為分別比較機翼位置、展弦比以及弦長對上述兩個指標在不同攻角下的影響，在固定后掠角的情況下分別依次改變機翼位置、展弦比以及弦長提出了模型2、模型3和模型4，具體模型參數(shù)如表6所示．圖5為6°攻角下模型3的表面壓力分布云圖．各模型其他參數(shù)的模擬結(jié)果比較如圖6～圖9所示．

表6 具體模型參數(shù)Tab.6 Parameters of specific models

圖5 模型3壓力分布云圖Fig.5 Pressure distribution of model 3

由圖6和圖7中模型1和模型2曲線可知，機翼的位置對L/D的影響很小，即對滑翔經(jīng)濟性影響較小，但將機翼位置向尾部移動造成模型2的lα′顯著減小，這使得滑翔器的穩(wěn)定性增加．由模型3和模型4曲線可知，減小展弦比和弦長都會減小滑翔器的L/D，同時使lα′增大；但減小弦長更為顯著地減小了滑翔器的L/D，但兩者穩(wěn)定性相差不大．由圖6可知，當攻角在6°左右時具有最大的升阻比，故在6°左右攻角時具有較高的滑翔經(jīng)濟性．

在滑翔狀態(tài)下，混合驅(qū)動水下滑翔器相對于經(jīng)典水下滑翔器增加了舵和螺旋槳的阻力，這部分阻力會減小滑翔狀態(tài)下的航程．螺旋槳和舵占總體航行器的阻力比例如圖8所示，這個比例由于攻角不同而有所不同，其值大約在10%～35%，這意味著其航程會比單純滑翔器減小10%～35%．圖9為混合驅(qū)動水下滑翔器滑翔狀態(tài)下的極曲線．由圖可見，在小阻力的情況下，模型3和模型4反而比模型1和模型2能獲得更大的升力；而當阻力增加時，模型1和模型2獲得的阻力明顯增加．由于滑翔器的阻力最終被浮力驅(qū)動系統(tǒng)提供的靜浮力B克服，且存在Bsin θ=D，式中θ為滑翔角，故為獲得最大的升力，其機翼的選擇還應(yīng)參考滑翔器能提供的凈驅(qū)動浮力以及相應(yīng)滑翔角來確定．

圖6 L/D隨攻角的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between L/D and attack angle

圖7 α′l隨攻角的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between lα′ and attack angle

圖8 舵和螺旋槳阻力占總阻力的比例隨攻角變化曲線Fig.8 Attack angle dependence of the proportion of rudder and propeller resistance to total resistance

圖9 4模型的極曲線Fig.9 Drag polar features for four models

4 結(jié) 論

(1)本文所采用的數(shù)值模擬方法計算結(jié)果與試驗值吻合較好，能滿足工程設(shè)計和研究的要求．

(2)機翼弦長對滑翔狀態(tài)下的滑翔經(jīng)濟性影響最為顯著，而后掠角對穩(wěn)定性的影響最為顯著；機翼位置對滑翔經(jīng)濟性的影響較小，主要影響滑翔穩(wěn)定性，位置越靠后穩(wěn)定性越高；當機翼位于水動力中心后方時，增加機翼的弦長和展弦比能同時提高滑翔狀態(tài)下的滑翔經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，但受機械結(jié)構(gòu)限制．

(3)當滑翔器在6°左右攻角航行時，具有最大的升阻比；筆者設(shè)計的混合驅(qū)動水下滑翔器由于螺旋槳和舵的存在，滑翔狀態(tài)下阻力會增加約10%～35%．

［1］ Rudnick D L，Davis R E，Eriksen C C，et al. Underwater glider for ocean research [J]. Marine Technology Society Journal，2004，38(1)：48-59.

［2］ Webb D C，Simonetti P J，Jones C P. SLOCUM：An underwater glider propelled by environmental energy [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26(4)：447-452.

［3］ Eriksen C C，Osse T J，Light R D，et al. Seaglider：A long range autonomous underwater vehicle for oceanographic research[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26(4)：424-436.

［4］ Sherman J，Davis R E，Owens W B，et al. The autonomous underwater glider “Spray”[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26(4)：437-446.

［5］ Davis R E，Eriksen C E，Jones C P. The Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles[M]. Griffiths G ed. London：Taylor and Francis，2002.

［6］ 蔣新松，封錫盛，王棣棠. 水下機器人[M]，沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

Jiang Xinsong，F(xiàn)eng Xisheng，Wang Ditang. Unmanned Underwater Vehicles[M]. Shenyang：Liaoning Science and Technology Publishing House，2000(in Chinese).

［7］ Ikuo Yamamoto. Research and Development of Past，Present，and Future AUV Technologies [EB/OL]. http：// www. noc. soton. ac. uk/CASEE/CASEE2/pages/ Masterclass/R&D%.20past%.20present%20.future%20.AUV.% 20tech-2. pdf，2008-11-20.

［8］ Rudnick D L，Perry M J. ALPS：Autonomous and Lagrangian Platforms and Sensors[R]. La Jolla，California：The ALPS Workshop Report，2003.

［9］ Bachmayer R，Leonardy N E，Graver J，et al. Underwater gliders：Recent developments and future applications [C]// Proc IEEE International Symposium on Underwater Technology(UT'04). Taipei，Taiwan，China，2004：195-200.

［10］ 張懷新，潘雨村. CFD在潛艇外形方案比較中的應(yīng)用[J]. 船舶力學(xué)，2006，10(4)：1-8.

Zhang Huaixin，Pan Yucun. Application CFD to compare submarine hull forms[J]. Journal of Ship Mechanics，2006，10(4)：1-8(in Chinese).

［11］ Tyagi A，Sen D. Calculation of transverse hydrodynamic coefficients using computational fluid dynamic approach[J]. Ocean Engineering，2006，33(5/6)：798-809.

［12］ 石秀華. 水中兵器概論：魚雷部分[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

Shi Xiuhua. Conspectus of Submerged Weapon：Torpedo Section[M]. Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，1995(in Chinese).

［13］ 李萬平. 計算流體力學(xué)[M]. 武漢：華中科學(xué)大學(xué)出版社，2004.

Li Wanping. Computational Fluid Dynamics[M]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2004(in Chinese).

［14］ 吳望一. 流體力學(xué)(下冊)[M]. 北京：高等教育出版社，1982. Wu Wangyi. Fluid Mechanics(Volume II)[M]. Beijing：Higher Education Press，1982(in Chinese).

［15］ 何漫麗. 水下自航行器水動力學(xué)特性數(shù)值計算與試驗研究[D].天津：天津大學(xué)機械工程學(xué)院，2005.

He Manli. Studying on Hydrodynamic Characteristics of AUV with Numerical Model and Experiments[D]. Tianjin： School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2005(in Chinese).

［16］ Graver J G. Underwater Gliders：Dynamics，Control and Design[D]. USA：Department of Mechanical and Aerospace Engineer，Princeton University，2005.

［17］Jenkins S A，Humphreys D E，Sherman J，et al. Alternatives for enhancement of transport economy in underwater gliders[C]// IEEE Proceedings of OCEANS. La Jolle，Calofornia，2003：948-950.

［18］ Jenkins S A，Humphreys D E，Sherman J，et al. Underwater Glider System Study [R]. USA：Office of Naval Research，2003.

［19］ 馬冬梅，馬 崢，張 華，等. 水下滑翔機水動力性能分析及滑翔姿態(tài)優(yōu)化研究[J]. 水動力學(xué)研究與進展(A輯)，2007，22(6)：703-708.

Ma Dongmei，Ma Zheng，Zhang Hua，et al. Hydrodynamic analysis and optimization on the gliding attitude of the underwater glider[J]. Journal of Hydrodynamics(Ser A)，2007，22(6)：703-708(in Chinese).

［20］ Wu Baoshan，Xing Fu，Kuang Xiaofeng，et al. Investigation of hydrodynamic characteristics of submarine moving close to the sea bottom with CFD methods[J]. Journal of Ship Mechanics，2005，9(3)：19-28.

［21］ 施生達. 潛艇操縱性[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

Shi Shengda. Submarine Maneuverability[M]. Beijing：National Defense Industry Press，1995(in Chinese).

Hydrodynamic Characteristics of the Wings of Hybrid-Driven Underwater Glider in Glide Mode

WU Jian-guo，CHEN Chao-ying，WANG Shu-xin，ZHANG Hong-wei，WANG Xiao-ming
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A novel hybrid-driven underwater glider(HUG)combining the advantages of underwater glider and autonomous underwater vehicle (AUV) has been proposed in this paper. Numerical simulation has been conducted to investigate the impact of the wings on the glide efficiency and stability of HUG in glide mode using computational fluid dynamics(CFD).The orthogonal experiment shows that glide efficiency is most significantly influenced by the chord lengthwhile stability of the vehicle is most remarkably affected by the sweep angle. Further numerical calculations based on four specific models with the attack angle in the range of 0°—20°indicate that location of the wings mainly affects glide stability yet has little influence on glide efficiency. When the vehicle glides at about 6°attack angle it has the maximum ratio of lift to drag. The study provides theoretical guidance and reference for HUG design.

hybrid-driven underwater glider；computational fluid dynamics；glide efficiency；stability；hydrodynamics

TV131.2；TP242

A

0493-2137(2010)01-0084-06

2008-12-01；

2009-06-03.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50705063；50835006)．

武建國（1980— ），男，博士研究生．

武建國，wjg_b518@163.com．