肖冬林,張 華,王習(xí)建,王 健,徐令令,張安通
(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫 214082)
水下滑翔器是一種通過剩余浮力做功提供前進(jìn)動(dòng)力,通過內(nèi)部滑塊移動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)垂直面內(nèi)鋸齒形運(yùn)動(dòng)的新型無人水下航行器。它有著工作時(shí)間長(zhǎng)、工作范圍廣、能耗低、噪音低等諸多優(yōu)點(diǎn),在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下探測(cè)、通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。
續(xù)航力是水下滑翔器的重要性能指標(biāo),為了提高水下滑翔器的航程,需要降低能耗,提高滑翔效率?;杵鞯幕栊逝c水動(dòng)力外形、滑翔姿態(tài)、剩余浮力大小、搭載儀器功耗等諸多因素有關(guān)。文獻(xiàn)[2]研究了不同類型滑翔器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、剩余浮力大小等對(duì)滑翔器滑翔效率的影響;文獻(xiàn)[3]從做功的角度研究了滑翔姿態(tài)對(duì)滑翔器滑翔效率的影響;文獻(xiàn)[4]分析了機(jī)翼展弦比、后掠角對(duì)升阻比的影響。以上文獻(xiàn)在分析滑翔效率時(shí)均沒有綜合考慮水平速度。為了使水下滑翔器具有一定的機(jī)動(dòng)性能及抵抗海流能力,水平滑翔速度也是一種重要的滑翔性能指標(biāo)。
通常的水下滑翔器主體采用回轉(zhuǎn)型,主要依靠滑翔翼調(diào)節(jié)水動(dòng)力中心,有效載荷量相對(duì)較低。扁平構(gòu)型主體具有升阻比高、有效載荷大的優(yōu)勢(shì),是中大型遠(yuǎn)程水下滑翔器的重要發(fā)展方向。
本文采用單位重量滑翔器、單位水平速度所耗功率作為滑翔效率的評(píng)價(jià)指標(biāo),研究了扁平型水下滑翔器的滑翔運(yùn)動(dòng)特性,給出了滑翔效率最高的滑翔姿態(tài),并進(jìn)行了垂直面滑翔運(yùn)動(dòng)仿真。
對(duì)滑翔器垂直面定?;锠顟B(tài)進(jìn)行受力分析,如圖1所示。其中:D表示阻力;L表示升力;M表示滑翔器受到的俯仰力矩水動(dòng)力;α表示攻角;ξ表示滑翔角,即速度與水平方向的夾角;m0g表示剩余浮力;坐標(biāo)原點(diǎn)O位于均衡態(tài)滑翔器的浮心。
圖1 水下滑翔器受力分析Fig.1 Force analysis of underwater glider
受力平衡需滿足:
式中:l表示剩余浮力作用中心到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離;h表示穩(wěn)心高;m表示滑翔器質(zhì)量?;杵魉畡?dòng)力系數(shù)無論滑翔模式或動(dòng)力推進(jìn)模式均可以按下式進(jìn)行簡(jiǎn)化[5]:
式中:ρ表示海水密度;L0表示滑翔器總長(zhǎng);CD、CL、CM分別表示無因次的阻力系數(shù)、升力系數(shù)及俯仰力矩系數(shù);KD、KL等表示滑翔器的水動(dòng)力系數(shù),可認(rèn)為是常數(shù)。
從能耗的角度研究滑翔器的續(xù)航力,本文采用的指標(biāo)為單位重量水下滑翔器移動(dòng)單位水平距離所需能耗[6]:
式中:E表示能耗系數(shù);W表示重量為mg的滑翔器水平移動(dòng)距離為S時(shí)的總能耗;Vx表示平均水平速度;P表示平均功率,包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)平均功率P0;姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳感器等搭載儀器及通信系統(tǒng)平均功率P1。
式中:m0g表示平均剩余浮力大小;Vz表示平均垂直速度大小;η0表示剩余浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)械效率。
顯然,能耗系數(shù)E越小,水下滑翔器滑翔效率越高。
由式(2)、(4)、(5)可得:
對(duì)于特定水下滑翔器,總長(zhǎng)L0、η0、P1均可認(rèn)為是定值。忽略雷諾數(shù)的影響,式(7)中阻力系數(shù)CD及滑翔角ξ可認(rèn)為僅與滑翔姿態(tài)(攻角α)有關(guān)。因而能耗系數(shù)E與水平滑翔速度Vx及滑翔姿態(tài)(攻角α)有關(guān)。
式(7)括號(hào)中第 1項(xiàng)表示滑翔器克服水動(dòng)力阻力的功耗,與滑翔姿態(tài)和水平滑翔速度有關(guān);第2項(xiàng)表示滑翔器搭載儀器設(shè)備功耗,僅與水平滑翔速度有關(guān)。定義僅與滑翔姿態(tài)相關(guān)的滑翔效率函數(shù)f(α):
顯然,f(α)越大,剩余浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)功耗越大,能耗系數(shù)越大。定義使f(α)在定義域內(nèi)取得最小值的α為最優(yōu)滑翔姿態(tài)攻角,最優(yōu)攻角記為αP,再對(duì)式(7)求導(dǎo),可得到使得E取得極小值最優(yōu)水平速度Vxp:
得到了最優(yōu)滑翔姿態(tài)及最優(yōu)水平速度,并獲取最優(yōu)滑翔狀態(tài)下的水動(dòng)力。根據(jù)受力平衡方程(1)-(3)可得到水下滑翔器的設(shè)計(jì)最優(yōu)剩余浮力m0g及相應(yīng)的剩余浮力力臂l或穩(wěn)心高h(yuǎn)。
本文研究的問題是相同水平速度下,不同姿態(tài)角的滑翔效率。
本文研究的扁平型水下滑翔器水動(dòng)力外形主要由主體、滑翔翼及艉操縱面組成。主體為長(zhǎng)3.7 m、最大寬度0.76 m、最大高度0.35 m的扁平形體,滑翔翼展長(zhǎng)2.1 m。
采用商用CFD計(jì)算軟件STAR CCM+對(duì)扁平型水下滑翔器進(jìn)行了操縱性水動(dòng)力仿真計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格,計(jì)算域?yàn)橥紫蚯?.5倍艇長(zhǎng),艇尾向后3倍艇長(zhǎng),周向2倍艇長(zhǎng)。網(wǎng)格數(shù)量約150萬,艇體表面y+取50。[7]
計(jì)算速度2 kn(雷諾數(shù)Re=3.52×106),不同攻角下,垂向力系數(shù)Z′及俯仰力矩系數(shù)M′與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較見圖2。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P涂s尺比1∶1.2,試驗(yàn)?zāi)P团c滑翔器滿足雷諾數(shù)相似,試驗(yàn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)滑翔器水中航速為1.028 8 m/s。
圖2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of CFD results with experimental results
計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,由小角度回歸得到的位置導(dǎo)數(shù)Zw′相對(duì)誤差4.1%,Mw′相對(duì)誤差14.6%。Mw′相對(duì)誤差偏大,這主要是因?yàn)楹剿佥^低、水動(dòng)力中心位置靠近潛航器中心,小攻角下俯仰力矩絕對(duì)值較小。整體上計(jì)算誤差在可接受范圍內(nèi),因此計(jì)算位置導(dǎo)數(shù)所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可信的。
通過系列 CFD計(jì)算,得到了扁平型水下滑翔器水動(dòng)力系數(shù)KD0、KD、KL0、KL、KM0、KM。
得到水動(dòng)力系數(shù)后,根據(jù)式(4)-(6)可得到升阻比λ(λ=L/D)隨攻角α的變化曲線。
由圖3可知,扁平型水下滑翔器最大升阻比約為6.4,對(duì)應(yīng)的攻角約8.10°。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體構(gòu)型的水下滑翔器即使在搭載了高展弦比滑翔翼的情況下,最大升阻比只能達(dá)到5左右[8]。本文研究的扁平型水下滑翔器較傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)型水下滑翔器具有更大的最大升阻比。
據(jù)式(1)-(8)可得到f(α)隨攻角α的變化曲線,見圖4。
圖4 f(α)-攻角曲線Fig.4 Curve of f(α)-attack angle
由圖4可知,扁平型水下滑翔器最優(yōu)滑翔姿態(tài)攻角約為2.54°。根據(jù)f(α)隨攻角α的變化曲線,要使剩余浮力做功較最優(yōu)滑翔角增幅10%以內(nèi),則扁平型水下滑翔器設(shè)計(jì)攻角范圍應(yīng)為1.54°~4.27°,對(duì)應(yīng)的滑翔角范圍為10.8°~23.8°;要使剩余浮力做功較最優(yōu)滑翔角增幅5%以內(nèi),則扁平型水下滑翔器設(shè)計(jì)攻角范圍應(yīng)為1.75°~3.73°,對(duì)應(yīng)的滑翔角范圍為 11.7°~21.3°。
由式(1)-(6)可得到水平滑翔速度為
圖5 g(α)-攻角曲線Fig.5 Curve of g(α)-attack angle
由圖5可知,當(dāng)攻角約為 0.95°時(shí),扁平型水下滑翔器水平滑翔速度最大。
假定設(shè)計(jì)水平滑翔速度為0.77 m/s,則在水平速度最大的滑翔姿態(tài)(α≈0.95°)、最優(yōu)滑翔姿態(tài)(α≈2.54°)、升阻比最大的滑翔姿態(tài)(α≈8.10°)3種滑翔狀態(tài)下,對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)剩余浮力及滑翔運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。
根據(jù)表1,結(jié)合式(7),以相同水平滑翔速度運(yùn)動(dòng),升阻比最高的滑翔姿態(tài)(α≈8.10°)較最優(yōu)滑翔姿態(tài)(α≈2.54°)剩余浮力做功增大約70%,水平速度最大的滑翔姿態(tài)(α≈0.95°)則較最優(yōu)滑翔姿態(tài)(α≈2.54°)剩余浮力做功增大約54%。
由式(1)-(3)可知,對(duì)于水動(dòng)力外形一定的水下滑翔器,可以通過改變剩余浮力力臂或穩(wěn)心高來調(diào)節(jié)滑翔姿態(tài)角。通過設(shè)置不同的剩余浮力及穩(wěn)心高,對(duì)3種典型滑翔狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算模型采用六自由度操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,根據(jù)扁平型水下滑翔器的水動(dòng)力特性對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。
3.2.1 不考慮環(huán)境因素改變的運(yùn)動(dòng)仿真
不考慮海水密度隨深度的變化及艇體壓縮等導(dǎo)致剩余浮力變化,對(duì)水平滑翔速度最大的滑翔狀態(tài)、最優(yōu)滑翔狀態(tài)及升阻比最高的滑翔狀態(tài)3種典型滑翔姿態(tài)進(jìn)行了2 000 m滑翔運(yùn)動(dòng)仿真。
不同滑翔姿態(tài),仿真計(jì)算得到的單周期運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2所示。
表2中單周期深度差△Ze表示下潛最大深度和上浮最小深度之差。不同滑翔姿態(tài)下平均水平滑翔速度略有差異,是由于受到了轉(zhuǎn)換段的影響。單周期剩余浮力做功W0=2m0g△Ze/η0。
圖6 最優(yōu)滑翔姿態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果(m0g = 43.3 N)Fig.6 Simulation results of optimal gliding attitude(m0g= 43.3 N)
表2 典型狀態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of typical gliding attitudes
假定剩余浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)械效率η0=0.4,扁平型水下滑翔器質(zhì)量650 kg,則不同滑翔姿態(tài)下單周期剩余浮力做功、僅考慮剩余浮力做功的能耗系數(shù)E0及根據(jù)式(7)-(8)得到的f(α)的比較如表3所示。
表3 典型狀態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)效率分析Table 3 Gliding efficiency analysis of typical gliding attitudes
仿真結(jié)果表明,最優(yōu)滑翔姿態(tài)下,單位水平距離浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)做功遠(yuǎn)低于水平滑翔速度最大滑翔姿態(tài)及升阻比最大的滑翔姿態(tài)。
3.2.2 考慮環(huán)境因素的運(yùn)動(dòng)仿真
隨著下潛深度的變化,由于海水密度變化及艇體壓縮,水下滑翔器受到的剩余浮力會(huì)產(chǎn)生變化。海水密度隨深度的變化特性采用中國(guó)南海典型海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)[9]?;杵魍w排水體積變化量近似認(rèn)為隨海水深度線性變化,根據(jù)有限元分析結(jié)果,艇體排水體積隨深度的變化量d▽可表示成如下形式:
根據(jù)有限元分析結(jié)果,k可取為1.56×10-6。
設(shè)定剩余浮力43.3 N,考慮海水密度變化及艇體壓縮的2 000 m滑翔運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 考慮環(huán)境因素的最優(yōu)滑翔姿態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果(m0g = 43.3 N)Fig.7 Simulation results of optimal gliding attitude considering environmental factors(m0g= 43.3 N)
仿真結(jié)果表明:下潛滑翔角為 13.2°~18.6°,上浮滑翔角12.9°~18.1°,深度差△Ze=2 013.2 m,單周期水平滑翔距離 14 759 m,單周期時(shí)間為19 719 s,平均水平滑翔速度0.748 m/s。計(jì)算得到f(α)為 3.08,較不考慮環(huán)境因素的仿真結(jié)果略有增大,這是由于滑翔角大都處在滑翔效率較優(yōu)的范圍內(nèi)。
本文采用單位重量滑翔器、單位水平速度所耗功率作為滑翔效率的評(píng)價(jià)指標(biāo),研究了扁平型水下滑翔器的滑翔運(yùn)動(dòng)特性,得到了如下結(jié)論:
1)本文采用CFD方法獲取了扁平型水下滑翔器操縱性水動(dòng)力系數(shù),CFD計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果符合良好;
2)本文研究的扁平型水下滑翔器最大升阻比為6.4,大于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)型主體的水下滑翔器;
3)基于本文滑翔效率評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的最優(yōu)滑翔姿態(tài)攻角約 2.54°,相同水平滑翔速度下,浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)功耗遠(yuǎn)低于水平滑翔速度最大的滑翔姿態(tài)及升阻比最高的滑翔姿態(tài);
4)本文給出了扁平型水下滑翔器滑翔效率較優(yōu)的滑翔姿態(tài)設(shè)計(jì)范圍:剩余浮力做功較最優(yōu)滑翔姿態(tài)增幅 5%、10%以內(nèi)的攻角范圍分別為1.75°~3.73°、1.54°~4.27°,對(duì)應(yīng)的滑翔角范圍分別為 11.7°~21.3°、10.8°~23.8°。
5)本文對(duì)扁平型水下滑翔器進(jìn)行了典型滑翔姿態(tài)下的2 000 m滑翔運(yùn)動(dòng)仿真,仿真結(jié)果對(duì)滑翔性能分析結(jié)論進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。