劉來(lái)連, 閔強(qiáng)利, 張光明

“海鱘4000”水下滑翔機(jī)水動(dòng)力特性與滑翔性能研究

劉來(lái)連, 閔強(qiáng)利, 張光明

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第710研究所, 湖北 宜昌, 443003)

與一般水下滑翔機(jī)相比, 4 000 m水下滑翔機(jī)使用深度更深, 體型相對(duì)更大。為了克服海水密度變化的影響, 其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積調(diào)節(jié)量也更大。準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型以及精確的水動(dòng)力系數(shù)是實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及精確導(dǎo)航的基礎(chǔ)。文中將在結(jié)構(gòu)參數(shù)已定, 動(dòng)力學(xué)模型已知的前提下獲得精確的水動(dòng)力系數(shù), 對(duì)水下滑翔機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè), 并為控制系統(tǒng)提供控制變量和優(yōu)化方向作為研究的重點(diǎn)。以“海鱘4 000”水下滑翔機(jī)為研究對(duì)象, 采用理論計(jì)算、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法, 分析了水平翼參數(shù)對(duì)其滑翔性能的影響; 獲得了其在縱平面內(nèi)做定常運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù), 并對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè); 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析, 獲得典型滑翔狀態(tài)下不同凈浮力對(duì)應(yīng)的滑翔速度, 并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析, 驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性。研究結(jié)果表明: 試驗(yàn)實(shí)際俯仰角控制與理論計(jì)算誤差在5%以?xún)?nèi); 試驗(yàn)實(shí)際凈浮力下的滑翔速度與理論計(jì)算誤差在15%以?xún)?nèi), 滿(mǎn)足控制系統(tǒng)相應(yīng)控制量20%的誤差需求。文中研究可為水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和完善提供參考。

水下滑翔機(jī); 滑翔性能; 水動(dòng)力性能; 滑翔速度

0 引言

海洋是一座天然寶藏, 它既是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)來(lái)源, 又具有舉足輕重的軍事戰(zhàn)略意義。在海洋開(kāi)發(fā)的熱潮及現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)“信息化局部戰(zhàn)爭(zhēng)”態(tài)勢(shì)下, 無(wú)人水下航行器(un- manned undersea vehicle, UUV)越來(lái)越被各國(guó)海軍所重視。水下滑翔機(jī)就是近年來(lái)誕生的一種令人耳目一新的UUV, 其獨(dú)特的設(shè)計(jì)顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。它不需要任何燃料作為動(dòng)力, 通過(guò)浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)自身浮力改變, 在凈浮力、阻力及升力的作用下, 實(shí)現(xiàn)鋸齒形滑翔觀(guān)測(cè)運(yùn)動(dòng)。自1989年Stommel[1]提出水下滑翔機(jī)的概念之后, 水下滑翔機(jī)發(fā)展迅速, 較著名的有美國(guó)Webb研究所的slocum水下滑翔機(jī)[2]、華盛頓大學(xué)的Sea- glider水下滑翔機(jī)[3]和Scripps海洋研究所的spray水下滑翔機(jī)[4]?？傮w來(lái)說(shuō), 這些水下滑翔機(jī)的機(jī)體尺寸和質(zhì)量相差不多(體長(zhǎng)約2 m, 重約50 kg), 機(jī)身形狀均為細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體, 這種設(shè)計(jì)尺寸小、阻力低, 同時(shí)保證了一定的裝載量和續(xù)航力。

上述機(jī)構(gòu)還對(duì)水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)及控制特性進(jìn)行了研究, 并對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行數(shù)值仿真, 驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)及控制規(guī)律。然而這種僅僅依靠電池驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)需要獲得長(zhǎng)航程和高續(xù)航力, 除了需要配備高能電池外, 最重要的是要提高滑翔效率, 而升力和阻力是決定效率的關(guān)鍵因素。我國(guó)在水下滑翔機(jī)理論和技術(shù)方面, 天津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中船重工第710研究所、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、中船重工第702研究所、中國(guó)海洋大學(xué)以及國(guó)家海洋技術(shù)中心等單位都相繼開(kāi)展了研究工作。其中: 天津大學(xué)研制的“海燕”混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)綜合了典型的水下滑翔機(jī)和傳統(tǒng)自主水下航行器(autonomous un- derwater vehicle, AUV)的特點(diǎn)[5]; 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)展了“海翼”水下滑翔機(jī)研制, 用于深水海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)[6]; 浙江大學(xué)在水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和控制方面開(kāi)展研究, 并開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)[7]。

文中以第710研究所“問(wèn)海計(jì)劃”項(xiàng)目中“海鱘4 000 ”水下滑翔機(jī)為研究對(duì)象, 采用理論計(jì)算、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法, 分析了水平翼參數(shù)對(duì)水下滑翔機(jī)滑翔性能的影響; 獲得了其在縱平面內(nèi)做定常運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù), 并對(duì)水下滑翔機(jī)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè); 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析, 獲得典型滑翔狀態(tài)下不同凈浮力對(duì)應(yīng)的滑翔速度, 并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析, 驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水動(dòng)力參數(shù)確定

1.1 “海鱘4000”水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)

“海鱘4000”水下滑翔機(jī)主要由滑翔機(jī)殼體、浮力調(diào)節(jié)裝置、姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置及通信天線(xiàn)等組成,如圖1所示?？v剖面的主要運(yùn)動(dòng)方式為滑翔運(yùn)動(dòng), 與傳統(tǒng)滑翔機(jī)的滑翔運(yùn)動(dòng)類(lèi)似, 通過(guò)浮力調(diào)節(jié)裝置和質(zhì)心調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)縱剖面鋸齒形滑翔運(yùn)動(dòng)。

圖1 “海鱘4000”水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式主要是在縱平面的“之”字形運(yùn)動(dòng)。因此, 首先需要建立其在縱平面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型。

1) 坐標(biāo)系建立

圖2 “海鱘4000”水下滑翔機(jī)坐標(biāo)系

2) 水動(dòng)力模型

水下滑翔機(jī)在水下運(yùn)動(dòng)時(shí), 會(huì)受到水動(dòng)力的作用, 而水動(dòng)力的大小直接決定著滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。水下滑翔機(jī)在縱平面運(yùn)動(dòng)時(shí), 所受到的水動(dòng)力主要有升力, 阻力和縱傾力矩。文獻(xiàn)[9]研究表明, 小攻角情況下,和與攻角之間近似為線(xiàn)性關(guān)系、與攻角之間近似為二次函數(shù)關(guān)系, 并可表示為

1.3 水平翼參數(shù)特性分析

水下滑翔機(jī)的阻力主要由主體的濕表面積和外形決定, 升力由水平翼提供, 水平翼升阻比的計(jì)算公式為

由圖3可知, 展弦比一定的情況下, 水平翼升阻比隨攻角先急劇增加后逐漸減小, 且存在1個(gè)最大值; 隨著后掠角增大, 最大升阻比保持不變, 其對(duì)應(yīng)的攻角有所增大; 最大升阻比對(duì)應(yīng)的攻角一般在6°~10°之間。

圖3 水平翼升阻比隨后掠角、攻角變化關(guān)系曲線(xiàn)

由圖4可知, 后掠角一定, 水平翼升阻比隨攻角先增后減, 同樣存在1個(gè)最大值; 隨著展弦比增大, 最大升阻比增大, 其對(duì)應(yīng)的攻角有所增大; 最大升阻比對(duì)應(yīng)的攻角一般在6°~10°之間。

圖4 水平翼升阻比隨展弦比、攻角變化關(guān)系曲線(xiàn)

由于滑翔機(jī)正?；锠顟B(tài)下所對(duì)應(yīng)的攻角為小攻角, 當(dāng)攻角一定時(shí)(取小攻角), 升阻比隨后掠角、展弦比的關(guān)系如圖5所示。升阻比隨后掠角的增加逐漸減小; 隨著展弦比的增加, 升阻比增加, 但隨著后掠角的增加, 減小的趨勢(shì)更快?；究梢哉J(rèn)為, 在小攻角情況下, 后掠角越小, 相應(yīng)升阻比越大。

圖5 水平翼升阻比隨展弦比、后掠角變化關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)上述計(jì)算分析, 可為“海鱘4000”水下滑翔機(jī)確定合適的展弦比和后掠角。

1.4 水動(dòng)力參數(shù)確定

常用的水動(dòng)力系數(shù)獲取方法包括理論計(jì)算、試驗(yàn)和CFD方法。理論計(jì)算方法主要采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算, 僅對(duì)于細(xì)長(zhǎng)體外形及運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為簡(jiǎn)單的模型有效[11]。試驗(yàn)方法主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)和拖曳試驗(yàn)等, 是目前比較常用且有效的手段, 但是試驗(yàn)成本高, 且耗時(shí)較長(zhǎng)。CFD方法以計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ), 通過(guò)各類(lèi)數(shù)學(xué)方法, 能夠解決各種流體力學(xué)難題。

文中針對(duì)“海鱘4000”水下滑翔機(jī), 采用CFD方法, 計(jì)算出了其水動(dòng)力參數(shù)。計(jì)算狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 水動(dòng)力參數(shù)計(jì)算狀態(tài)表

計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)度10、直徑3.5的包圍滑翔機(jī)的圓柱體(為滑翔機(jī)長(zhǎng)度), 如圖6所示。其旋轉(zhuǎn)軸與滑翔機(jī)模型的對(duì)稱(chēng)軸重合, 進(jìn)流邊界面(入口)為圓柱體的前端面, 距模型首端的距離為4, 出流邊界面(出口)為圓柱體的后端面, 距模型尾端的距離為5。整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 網(wǎng)格總數(shù)為120萬(wàn), 網(wǎng)格質(zhì)量0.3以上, 以保證求解精度。圖7給出了計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖6 計(jì)算域示意圖

圖7 水下滑翔機(jī)表面壓力云圖

圖8 不同速度和攻角下的阻力曲線(xiàn)

2 滑翔性能分析

根據(jù)以上水動(dòng)力模型, 對(duì)“海鱘4000”水下滑翔機(jī)的滑翔運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析, 得到以下平衡方程

圖10 不同速度和攻角下的俯仰力矩曲線(xiàn)

聯(lián)合式(1)、式(2)和式(13)可得

為使式(14)有解, 需滿(mǎn)足

根據(jù)式(2)、式(10)和式(17), 可得速度與滑翔角的關(guān)系

圖11給出了“海鱘4000”水下滑翔機(jī)在有效滑翔角范圍內(nèi)攻角與滑翔角的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖可知, 該滑翔機(jī)攻角范圍為(0°~ 4.9°)＆(–4.4°~ 0°); 俯仰角范圍為(12.6° ~ 90°)＆(–11.1° ~ –90°)。

圖11 攻角與滑翔角關(guān)系曲線(xiàn)

圖12給出了“海鱘4000”水下滑翔機(jī)在不同凈浮力下水平速度與滑翔角的關(guān)系。從圖中可以看出, 水平速度隨著滑翔角的增加先增后減。在確定的凈浮力下, 在有效滑翔角內(nèi)存在1個(gè)最大水平速度, 該速度所對(duì)應(yīng)的滑翔角約為36o, 對(duì)應(yīng)的攻角為–1.45o, 俯仰角為34.55o。

圖12 水平速度與滑翔角、凈浮力的關(guān)系曲線(xiàn)

圖13~圖16給出了“海鱘4000”水下滑翔機(jī)在典型滑翔角下, 滑翔速度、水平速度、垂直速度與凈浮力的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖13 滑翔角為18o時(shí)速度與凈浮力關(guān)系曲線(xiàn)

圖14 滑翔角為27o時(shí)速度與凈浮力關(guān)系曲線(xiàn)

圖15 滑翔角為36°時(shí)速度與凈浮力關(guān)系曲線(xiàn)

由圖可知, 凈浮力增加可以同時(shí)增加滑翔的水平速度和垂直速度, 滑翔角超過(guò)36°以后, 水平速度將低于垂直速度。該計(jì)算結(jié)果即可與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)證上述計(jì)算過(guò)程的正確性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年初對(duì)“海鱘4000”水下滑翔機(jī)進(jìn)行了湖上試驗(yàn)(見(jiàn)圖17), 獲得了不同姿態(tài)下穩(wěn)定滑翔的俯仰角度和滑翔速度數(shù)據(jù)。俯仰角度通過(guò)集成在滑翔機(jī)機(jī)體上的磁羅盤(pán)測(cè)量獲得,滑翔速度通過(guò)機(jī)體上安裝的壓力傳感器測(cè)量深度間接獲得, 文中選取了2組典型滑翔角下有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn), 分別如圖18~圖20、圖21~圖23所示。需要說(shuō)明的是, “海鱘4000”水下滑翔機(jī)控制程序中滑翔角是設(shè)定變量, 通過(guò)如圖11所示的攻角與滑翔角的關(guān)系, 計(jì)算出對(duì)應(yīng)的俯仰角, 從而對(duì)俯仰角進(jìn)行控制。典型有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖18~圖23所示。

圖16 滑翔角為52°時(shí)速度與凈浮力關(guān)系曲線(xiàn)

圖17 “海鱘4000”水下滑翔機(jī)湖上試驗(yàn)

圖18 滑翔角為18°時(shí)深度變化曲線(xiàn)

圖19 滑翔角為18°時(shí)體積(凈浮力)變化曲線(xiàn)

圖20 滑翔角為18°時(shí)俯仰角變化曲線(xiàn)

表2 滑翔角18°時(shí)滑翔數(shù)據(jù)表

從試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合, 誤差均在15%以?xún)?nèi)。存在誤差的原因有: 1) 仿真計(jì)算模型過(guò)于理想, 與實(shí)際樣機(jī)存在差異, 造成計(jì)算的水動(dòng)力系數(shù)存在誤差; 2) 實(shí)際樣機(jī)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)浮力調(diào)節(jié)量、俯仰角控制精度存在誤差, 控制精度誤差均為20%。因此, 從結(jié)果上看, 理論計(jì)算分析完全可以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要, 并對(duì)工程設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

圖21 滑翔角為27°時(shí)深度變化曲線(xiàn)

圖23 滑翔角27°時(shí)俯仰角變化曲線(xiàn)

表3 滑翔角為27°時(shí)滑翔數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以“海鱘4 000 ”水下滑翔機(jī)為研究對(duì)象, 詳細(xì)分析研究了其水動(dòng)力特性和滑翔性能, 可得如下結(jié)論。

1) 參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)水平翼參數(shù)特性進(jìn)行了分析研究, 獲得了展弦比、后掠角、攻角與水平翼升阻比的關(guān)系, 最大升阻比對(duì)應(yīng)的攻角一般為6°~10°, 可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

2) 采用CFD方法計(jì)算出“海鱘4 000 ”水下滑翔機(jī)各個(gè)水動(dòng)力參數(shù), 并以此為基礎(chǔ), 詳細(xì)分析研究了其滑翔性能, 獲得其攻角范圍為(0°~4.9°)＆(–4.4°~0°), 俯仰角范圍為(12.6°~90°)＆(–11.1° ~ –90°), 其最佳抗流能力對(duì)應(yīng)的滑翔角為36°。最后詳細(xì)計(jì)算了其在不同典型滑翔角下, 滑翔速度、水平速度、垂直速度與凈浮力的關(guān)系曲線(xiàn), 對(duì)其滑翔控制具有很好的指導(dǎo)意義。

3) 對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究, 獲得了“海鱘4 000 ”水下滑翔機(jī)典型狀態(tài)下的滑翔速度和俯仰角度數(shù)據(jù), 并與分析計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合, 誤差均在15%以?xún)?nèi), 驗(yàn)證了分析計(jì)算過(guò)程的正確性, 滿(mǎn)足控制系統(tǒng)相應(yīng)控制量20%的誤差需求, 并對(duì)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和完善提供了依據(jù)。

文中的工作可對(duì)水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考, 但其理論計(jì)算并未考慮海水密度變化及滑翔機(jī)受海水壓力產(chǎn)生體積壓縮量的影響, 也并未建立滑翔機(jī)改變航向的理論模型, 下一步將對(duì)此進(jìn)行深入研究。

[1] Stommel H. The Slocum Mission[J]. Oceanography, 1989, 2(1): 22-25.

[2] Schofleld O, Kohut J, Aragon D, et a1．Slocum Gliders: Robust and Ready[J]. Journal of Field Robotics, 2010, 24(6): 473-485．

[3] Eriksen C C, Osse T J, Light R D, et al. Seaglider: A Long—Range Autonomous Underwater Vehicle for Oceano Graphic Research[J]．IEEE JournaI of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 424-436．

[4] Rudnick D L, Davis R E, Sherman J T. Spray Underwater Glider Operations[J]．Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2016, 33(6): 1113-1122．

[5] Liu F, Wang Y H, Wang S X. Development of the Hybrid Underwater Glider PetreI-II[J]. Sea Technology, 2014, 55(4): 51-54

[6] Yu J C, Zhang A Q, Jin W M, et al. Development and Experiments of the Sea-wing Underwater Glider[J]. China Ocean Engineering, 2011, 25(4): 721-736.

[7] Fan S S, Woolsey C. Elements of Underwater Glider Performance and Stability[J]. Marine Technology Society Journal, 2013, 47(3): 81-98.

[8] Bhatta P．Nonlinear Stability and Control of Gliding Vehicles[J]．Recent Developments In Ruminant Nutrition, 2006, 4(10): 325-352．

[9] Leonard N E, Graver J G. Model-based Feedback Control of Autonomous Underwater Gliders[J]. Oceanic Engine- ering, 2001, 26(4): 633-645.

[10] Breshears D D, Whicker J J, Johansen M P, et a1．Wind and Water Erosion and Transport in Semi-aridshrubland, Grassland and Forest Ecosystems: Quantifing Dominance of Horizontal Wind-driven Transport[J]．Earth Surface Pr- ocesses and Landforms, 2003, 28(11): 1189-1209．

[11] Hess J L．Calculation of Potential Flow about Arbitrary Three-dimensional Lifting Bodies[M]. LongBeach: Doug- las Aircraft Company, 1969．

Research on Hydrodynamic Characteristics and Gliding Performance of Underwater Glider “HaiXun 4000”

LIU Lai-lian, MIN Qiang-li, ZHAN Guang-ming

(The 710 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Yichang 443003, China)

Compared with common underwater glider, the 4 000-meter underwater glider needs larger volume adjustment of its buoyancy control system in order to overcome the influence of seawater density change. Accurate dynamic model and hydrodynamic coefficient are the basis for realizing its control system design and accurate navigation. On the premise that its structural parameters are determined and the dynamic model is known, this paper aims to obtain accurate hydrodynamic coefficient and predict its performance, so as to provide control variables and optimization directions for the control system. Taking the 4 000-meter underwater glider “HaiXun 4000” as the research object, theoretical calculation, CFD simulation and experimental data analysis are combined to analyze the influence of the horizontal wing parameters on the gliding performance of the underwater glider, hence the hydrodynamic coefficient of constant motion in longitudinal plane is obtained, and the performance of the glider is predicted. Through the analysis of test data, the gliding speeds corresponding to different net buoyancy under typical gliding conditions are obtained and compared with the theoretical calculation to verify the correctness of the theoretical calculation. The results show that the error between actual pitch angle control and theoretical calculation is less than 5%, and the error between gliding speed and theoretical calculation under the actual net buoyancy of the test is within 15%, meeting the error requirements of 20% of the corresponding control amount for the control system. This research may provide a reference for further optimization and improvement of the control system.

underwater glider; gliding performance; hydrodynamic characteristic; gliding speed

TJ630; U674.941; O352

A

2096-3920(2019)05-0488-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.003

劉來(lái)連, 閔強(qiáng)利, 張光明. “海鱘4000”水下滑翔機(jī)水動(dòng)力特性與滑翔性能研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 488-495.

2019-07-09;

2019-08-20.

青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“問(wèn)海計(jì)劃”項(xiàng)目資助(2017WHZZB0101).

劉來(lái)連(1978-), 男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)