廖保全, 馮金富, 齊鐸, 李永利, 余宗金

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038)

一種可變形跨介質(zhì)航行器氣動/水動特性分析

廖保全, 馮金富, 齊鐸, 李永利, 余宗金

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038)

摘要:由于海水和空氣物理性質(zhì)存在巨大差異,航行器很難以單一外形滿足在兩種環(huán)境下的航行要求。為此,提出一種通過改變外形來實現(xiàn)水空介質(zhì)跨越的航行器,并通過計算流體力學(xué)對其空中和水中兩種外形的氣動/水動特性進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明,通過改變外形,航行器能夠同時滿足水下航行和空中飛行的要求。水下航行時,航行器在較小的仰角范圍內(nèi)通過收縮機翼減小阻力;空中飛行時,通過展開機翼增大升力。

關(guān)鍵詞:計算流體力學(xué); 氣動特性; 水動特性

0引言

隨著航空航海技術(shù)的發(fā)展和軍事需求的推動,以隱蔽性好、突防能力強為優(yōu)勢的跨介質(zhì)航行器獲得了廣泛關(guān)注[1]。跨介質(zhì)航行器是指能夠多次跨越介質(zhì)且能持續(xù)航行、重復(fù)使用的航行器。2008年,美國國防先進(jìn)技術(shù)研究局著手研制一種既能夠在空中飛行,又能夠在水面和水下航行的新概念飛機[2]。與此同時,美國軍方研制中的另一款水下發(fā)射無人飛機“鸕鶿”(Cormorant)已取得實質(zhì)進(jìn)展。法國波爾多航空技術(shù)公司正研制將用于海洋研究、港口和海岸警戒的潛水飛機“埃利烏斯”(Aelius)。

研究和實踐均表明,水面艦艇的防空體系和水下防御系統(tǒng)僅對空和反魚雷來說存在諸多優(yōu)勢。美國自1944年發(fā)展艦空導(dǎo)彈以來,先后發(fā)展裝備了7大系列11種艦艇防空武器,出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)系列、海麻雀系列、拉姆系列、宙斯盾防空系統(tǒng)等性能優(yōu)越的防空武器[3]。在反魚雷方面,美國提出的潛艇和水面艦艇的水聲對抗系統(tǒng)(SAWS)、法國的“信天翁”(Albatros)魚雷預(yù)警系統(tǒng)、意大利C300和C303魚雷防衛(wèi)系統(tǒng)等大大降低了魚雷的生存概率和攻擊性。因此,設(shè)計一種能夠利用水空介質(zhì)物理割裂,通過在水空介質(zhì)間跳躍飛行(航行),實現(xiàn)遠(yuǎn)距離隱蔽偵察、打擊的航行器具有重要意義。

本文提出一種通過改變外形實現(xiàn)水空介質(zhì)跨越的航行器,兼顧空中突防速度快和水中突防隱蔽性好的特點:在水中航行時,采用類似魚雷的外形;在空中飛行時,采用類似反艦巡航導(dǎo)彈的外形。通過試驗獲取航行器動力特性參數(shù),試驗準(zhǔn)備周期長、耗費大;而文獻(xiàn)[4-5]采用數(shù)值模擬方法,通過Ansys ICEM對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,借助Fluent軟件獲得較準(zhǔn)確的動力特性數(shù)據(jù)。本文通過數(shù)值模擬研究所提出的航行器外形的動力學(xué)特性,以期對跨介質(zhì)航行器的外形設(shè)計和試驗研究提供參考。

1幾何模型

從現(xiàn)有航空飛行器與水下航行器外形來看,兩者存在巨大差異,造成其差異的根源在于水和空氣兩種流體物理性質(zhì)的不同。海水的密度是空氣密度的833倍,其動力粘性系數(shù)是空氣的60倍。根據(jù)雷諾數(shù)相似原理,外形不變的航行器在相同速度下,水下航行產(chǎn)生的升力是空中飛行產(chǎn)生升力的14倍。這使得航行器在空中飛行必須保持高速度,而在水中航行必須保持低速和較大的負(fù)迎角。較大的速度變化對發(fā)動機提出了很高的要求,負(fù)迎角產(chǎn)生的誘導(dǎo)阻力和彈翼本身的粘性阻力、壓差阻力使得彈翼不利于水中航行。

本文提出一種通過向上兩次折疊彈翼改變外形的跨介質(zhì)航行器。航行器長度為6 m,徑向截面外接圓直徑0.534 m,便于從現(xiàn)有魚雷發(fā)射管發(fā)射。航行器翼展為1.42 m,彈翼收起時折疊于彈身兩側(cè)的彈翼槽內(nèi),呈類魚雷外形。航行器密度為1 100 kg/m3,質(zhì)量為910 kg。根據(jù)以上參數(shù),建立了航行器的幾何模型,如圖1所示。

圖1　航行器幾何外形Fig.1　Geometric shape of the vehicle

2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是計算域內(nèi)的一系列離散點。通過將控制方程離散,使用數(shù)值方法得到網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)據(jù)(如速度、溫度、壓力等),即得到數(shù)值解[6]。網(wǎng)格可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格便于調(diào)整網(wǎng)格疏密和邊界層處理,網(wǎng)格生成速度快,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單。但對于復(fù)雜幾何體而言結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成工作量大,對外形適應(yīng)性差。本文所提出的航行器空中模型、水中模型均比較復(fù)雜,因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法。該方法能夠離散復(fù)雜外形區(qū)域,可以在計算域精確表示物理邊界,保證了邊界處的初始準(zhǔn)確度,提高了解的質(zhì)量;但非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成過程計算機工作量大,對計算機性能要求高。使用曙光A840r-G計算機群能夠滿足非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算性能的要求,能夠順利地生成網(wǎng)格,如圖2所示。

圖2　航行器的網(wǎng)格Fig.2　Mesh generation of the vehicle

為了減少計算域邊界對結(jié)果的影響,計算域確定為遠(yuǎn)大于幾何模型的55 m×10 m×10 m長方體,航行器頭部距計算域入口20 m。殼網(wǎng)格的網(wǎng)格類型為All Tri,即生成所有網(wǎng)格單元均為三角形。網(wǎng)格生成的計算法則選用Patch Dependent,根據(jù)面的輪廓線生成網(wǎng)格,這樣能夠更好地捕捉幾何特征。在生成網(wǎng)格時對航行器頭部、尾部和彈翼等外形變化大的部位的曲線進(jìn)行加密。殼網(wǎng)格生成后,經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量符合要求,再生成體網(wǎng)格。彈翼、尾翼后緣附近流場參數(shù)變化劇烈,對氣動、水動特性影響較大。生成體網(wǎng)格時,對彈翼、尾翼后緣附近計算區(qū)域進(jìn)行了加密。最后,通過對生成體網(wǎng)格的檢查、修改,得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格。空中飛行狀態(tài)模型的網(wǎng)格數(shù)量為600多萬,水中航行狀態(tài)模型的網(wǎng)格數(shù)量為500多萬。

3數(shù)值方法與邊界條件

航行器在流體中航行時,涉及到復(fù)雜的湍流問題。一般認(rèn)為無論多么復(fù)雜的湍流運動,都可以通過求解Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程解決。由于湍流運動的復(fù)雜性,人們通過一些數(shù)值方法對湍流進(jìn)行模擬并取得了較好的效果。湍流數(shù)值模擬的方法主要有直接數(shù)值模擬(DNS)和非直接數(shù)值模擬。直接模擬方法計算量大,對計算機性能要求高,難以在工程應(yīng)用中推廣。在實際應(yīng)用中,使用最多的數(shù)值模擬方法是Reynolds平均法,通過引入湍流模型封閉方程組求解湍流要素的時均值[7]。

3.1通用控制方程

對于流體的控制方程主要有連續(xù)性方程、動量方程(又稱Navier-Stokes方程)、能量守恒方程等?？梢詫懗銎渫ㄓ眯问絒8]:

(1)

式中:φ為通用變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項。

當(dāng)φ=1,Γ=0,S=0時,方程為連續(xù)性方程;當(dāng)φ=ui,Γ=μ,S=-?p/?xi+Si時,方程為動量方程。

3.2湍流模型

基于SST(Shear Stress Transport)模型的k-ω方程考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳輸,可以很好地處理近壁面處低雷諾數(shù)的數(shù)值計算,并且綜合了k-ω模型在遠(yuǎn)場計算的優(yōu)點,處理不同界面具有較好的適應(yīng)性,收斂效果更好。k-ω模型主要求解湍動能k和湍流頻率ω兩個運輸方程:

(2)

(3)

式中:Pk為由層流產(chǎn)生的湍流動能;σk,σω分別為k和ω方程的湍流能量普朗特數(shù)。

采用Fluent中的默認(rèn)值:α=0.52,β′=0.09,β=0.072,σk=2,σω=2。湍流黏度μt與湍流動能和湍流頻率有關(guān),其關(guān)系式為:

(4)

3.3邊界條件

計算域為55 m×10 m×10 m的長方體,流體入口距航行器頂端20 m,流體出口距航行器頂端35 m。對空中飛行特性仿真研究時,選擇基于密度的隱式求解器,計算域內(nèi)介質(zhì)為空氣。設(shè)定與空氣有關(guān)的物理參數(shù),部分參數(shù)采用默認(rèn)值。流體入口的邊界類型為Pressure-far-field,假定航行器掠海飛行,距海面高度50～150 m(戰(zhàn)斧導(dǎo)彈巡航馬赫數(shù)為0.72,巡航高度為50～150 m),表壓設(shè)定為101.33 kPa,馬赫數(shù)為0.72。選擇笛卡爾坐標(biāo)系速度分量定義方式,速度分量隨航行器迎角α的變化而變化。對外流場的計算選擇intensity and length scale湍流組合,湍流強度定義為速度脈動的均方根與平均速度的比值:

(5)

湍流尺度通常用下式估算:

(6)

航行器壁面為無滑移壁面,采用亞松弛因子默認(rèn)值計算初場。為了加速收斂,在計算過程中作了適當(dāng)放大,同時采用二階迎風(fēng)格式,能得到更加精確的結(jié)果。

對水中航行特性進(jìn)行研究時,選擇基于壓力的隱式求解器,計算域介質(zhì)為海水。流體入口邊界類型為Velocity-inlet。假定航行器航行深度為5 m,表壓設(shè)定為151.54 kPa。選擇笛卡爾坐標(biāo)系速度分量定義方式,合速度大小為20 m/s,速度分量隨航行器迎角α的變化而變化。

4仿真驗證及結(jié)果分析

在進(jìn)行航行器流體仿真之前,通過對MK46魚雷的流體仿真研究了本文方法對水中航行器仿真的準(zhǔn)確性,得到其在迎角為0°、速度為20 m/s狀態(tài)下,阻力系數(shù)為0.097 2,與潘光等[9]的仿真結(jié)果相近,與試驗值[10]的誤差在可接受范圍。通過對M6翼型流體仿真研究了本文方法對空中航行器仿真的準(zhǔn)確性,所得壓力系數(shù)的分布情況與試驗結(jié)果吻合較好。

本文仿真了航行器水中模型在航行速度分別為16 m/s,20 m/s和24 m/s,迎角由-45°變化到45°共93種工況的流場;仿真了航行器空中模型分別在Ma=0.62,0.72,0.82飛行速度下,迎角變化范圍為-45°～45°共93種工況。

圖3展示了Ma=0.72的空中飛行速度在0°迎角時的升力系數(shù)及阻力系數(shù)的收斂情況,在進(jìn)行到600步時,系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖3　升力系數(shù)和阻力系數(shù)收斂情況Fig.3　Convergent graphs of CL and CD

圖4為航行器在Ma=0.72和0°迎角下飛行時的表面壓力云圖。可以看出,航行器頭部、彈翼、尾翼前緣、彈翼槽突出處受到的壓強最大,頭部與彈身、彈身與尾部過渡區(qū)域形成低壓區(qū)。在水中航行時,空泡常常產(chǎn)生于頭部與彈身過渡的低壓區(qū)。

圖4　航行器空中飛行壓力云圖Fig.4　Pressure contour of flight state in the air

由于航行器外形發(fā)生變化,在計算水中外形動力系數(shù)時所用參考面積為水中模型最大截面積0.18 m2,空中所用參考面積為航行器彈翼面積3.97 m2。航行器在空中和水中的阻力、升力和俯仰力矩隨迎角的變化曲線如圖5～圖7所示。圖中曲線為通過三階最小二乘法對仿真試驗數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合的結(jié)果。

圖5　阻力隨迎角的變化曲線Fig.5　Curves of the drag changing with the AOA

由圖5可以看出,隨著迎角從-45°變化到45°,阻力基本上以0°線呈對稱分布,且0°線右邊部分變化趨勢略快于左邊部分,這是由于航行器外形上下不完全對稱造成的。迎角從0°變化到45°,阻力隨迎角增大而變大,這是由于航行器在迎角變大的過程中,在速度方向上的投影面積增大,使航行器所受壓差阻力迅速變大。在-10°～10°迎角之內(nèi),阻力變化比較平緩,當(dāng)迎角超過10°之后阻力迅速增大。航行器在空中飛行的阻力變化較在水中航行阻力變化平緩,通過收縮彈翼較大程度地減小了阻力。

圖6　升力隨迎角的變化曲線Fig.6　Curves of the lift changing with the AOA

由圖6可以看出,升力在迎角從-45°變化到45°過程中都是增大的;水中的變化明顯快于空中的變化過程,但這相對于沒有外形變化的航行器已經(jīng)有較大改善?？梢灶A(yù)見,如果進(jìn)一步降低水中速度,水中升力曲線則能夠匹配上空中升力曲線。在-2°～2°的迎角內(nèi),水中航行升力曲線與0°線相交于原點附近,而空中飛行升力曲線與0°線相交于原點上方,這是由于增加了非對稱機翼使迎角為0°時產(chǎn)生了正升力。航行器在迎角4°以上能夠?qū)崿F(xiàn)空中水平飛行,水中水平航行迎角在2°附近,航行器在空中、水中均有較大的富裕升力做機動。

圖7　俯仰力矩隨迎角的變化曲線Fig.7　Curves of the pitching moment changing with the AOA

由圖7可以看出,俯仰力矩在迎角從-45°變化到45°過程中不斷增大;俯仰力矩對迎角的導(dǎo)數(shù)大于0,航行器是靜不穩(wěn)定的;空中變化過程平緩,相對于水中航行更加穩(wěn)定。

5結(jié)束語

本文設(shè)計了一種可改變外形的水空跨介質(zhì)航行器,并通過Fluent對所建模型進(jìn)行仿真,得到了航行器在各個工況下的阻力、升力、俯仰力矩數(shù)值。分析

發(fā)現(xiàn):通過改變外形,航行器兼顧了魚雷和巡航導(dǎo)彈的飛行性能,在較小的迎角范圍內(nèi)阻力較小,升力能夠?qū)崿F(xiàn)水平飛行/航行,且有較大的富裕升力;相對于沒有外形改變的航行器,其水空航行性能有較大改善。在接下來的工作中,將重點研究航行器跨越水面過程流體動力特性和彈翼展開時對航行器空中彈道的影響,為跨介質(zhì)航行器的設(shè)計和試驗提供參考。

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(編輯：李怡)

Aerodynamic and hydrodynamic characteristics analysis o morphing submersible aerial vehicle

LIAO Bao-quan, FENG Jin-fu, QI Duo, LI Yong-li, YU Zong-jin

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

Abstract:Due to the tremendous difference between water and air in physical properties,it’s hard for a vehicle with fixed shape to meet the requirements of moving underwater and flying in the air. A new vehicle, which has the ability of crossing the water surface for several times through changing its shape, was proposed. The vehicle’s aerodynamics and hydrodynamics were studied with CFD. The simulation results show that, this new vehicle can meet the requirements of moving underwater and flying in the air through changing its shape. The vehicle retracts its wings to make the drag smaller in a small angle of attack under water and unfolds the wings to make the lift support flying in air.

Key words:CFD; aerodynamic characteristics; hydrodynamic characteristics

收稿日期:2015-08-24;

修訂日期:2015-11-25; 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-02-29 16:37

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助(51541905)

作者簡介:廖保全(1991-)，男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為航空軍械總體與控制技術(shù)； 馮金富(1964-)，男，江蘇泰興人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為兵器科學(xué)與技術(shù)。

中圖分類號：TJ762.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)03-0044-04