凌宏杰，王志東，孫玉山，劉 彥

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

海洋已經(jīng)成為世界各國戰(zhàn)略發(fā)展的重要基地，在資源、環(huán)境空間和戰(zhàn)略方面擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，合理開發(fā)、利用、保護(hù)海洋是我國21世紀(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需要[1-2]。先進(jìn)的海洋觀測技術(shù)、智能化的探測設(shè)備是海洋環(huán)境探測及資源開發(fā)利用的前提，無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)[3]將人工智能、探測識別、信息融合、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面技術(shù)集中應(yīng)用于同一水下載體，能夠高效率地開展各種探測任務(wù)，具有觀測范圍大、效率高、成本低、機(jī)動性能好、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋資源開發(fā)和觀測中發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，隨著對深遠(yuǎn)海中長時序、大范圍、三維連續(xù)海洋環(huán)境探測及監(jiān)測需求的增加，常規(guī)UUV受攜帶能源的限制，在航程與續(xù)航能力方面已無法滿足需求。為適應(yīng)長時序、大尺度的海洋探測需求，混合驅(qū)動無人水下滑翔機(jī)(Hybrid Driven Unmanned Underwater Glider，HUG)應(yīng)運(yùn)而生。HUG[4-5]作為一種融合了常規(guī)UUV與水下滑翔機(jī)(Autonomous Underwater Glider,AUG)優(yōu)點(diǎn)的新型UUV，可像AUG一樣在水中完成具有鋸齒形軌跡的滑翔運(yùn)動且定位精度高，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長時序的要求，也可像水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)一樣在水中進(jìn)行推進(jìn)航行，具有動作反應(yīng)迅速、跟蹤精確的優(yōu)點(diǎn)及在特定區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)搜索功能。

2001年，由美國Webb公司研發(fā)的HUG[6]問世，與美國特利丹儀器公司韋伯海事研究所和伍茲霍爾海洋研究所的斯洛庫姆無人水下滑翔機(jī)(簡稱Slocum)相比，該款HUG僅在Slocum的原有尾部構(gòu)型上增加1個螺旋槳推進(jìn)器。此后，日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和九州大學(xué)發(fā)明一款新型UUV，該UUV可實現(xiàn)混合驅(qū)動[7]，該樣機(jī)以紡錘形水下滑翔機(jī)為基礎(chǔ)，在尾部裝有螺旋槳推進(jìn)裝置。國內(nèi)的起步相對較晚：2007年，天津大學(xué)開始HUG的研發(fā)工作，經(jīng)過2年多的努力，海燕1號問世[8]；2014年，為使海燕1號滿足更多的工程需要，天津大學(xué)研究團(tuán)隊[9]進(jìn)行升級改造，推出海燕2號；2016年，一款HUG科研樣機(jī)在浙江大學(xué)研發(fā)成功，該樣機(jī)創(chuàng)新性地將浮力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計在首部位置，為實現(xiàn)滑翔與推進(jìn)混合驅(qū)動，在其尾部配備推進(jìn)器和電動舵。

上述HUG均由回轉(zhuǎn)體和水翼組成，升阻比較小，導(dǎo)致滑翔角較大，在一定程度上影響了水下滑翔機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。此外，上述HUG大多數(shù)都在航行器尾部增加推進(jìn)裝置，在遭遇海底洋流和海底旋渦時，運(yùn)動形式單一，不易快速調(diào)整姿態(tài)，抗洋流干擾能力較弱。大翼展HUG具有扁平翼型剖面形狀的機(jī)身，且水翼平滑地與機(jī)身融合在一起，具有更高的升阻比[10-11]。此外，大翼展HUG還可在水翼兩側(cè)下方各搭載1個推進(jìn)器，通過對2個推進(jìn)器進(jìn)行差速控制，實現(xiàn)更多的姿態(tài)和運(yùn)動控制。

大翼展HUG的大翼展外形使其具有復(fù)雜的水動力性能，且與水翼兩側(cè)搭載的推進(jìn)器流場相互耦合，流場特性分析困難；尤其是在水動力性能基礎(chǔ)上，添加運(yùn)動與動力方程，進(jìn)行耦合運(yùn)動性能分析，更為困難。國內(nèi)外對大翼展HUG的耦合運(yùn)動性能分析研究較少。

本文基于黏性流體理論，采用多計算域、動網(wǎng)格與動力學(xué)理論相結(jié)合的方法，對大翼展HUG的耦合運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報與分析，探明其在推進(jìn)與滑翔模式下的運(yùn)動響應(yīng)特性。

1 計算模型

1.1 坐標(biāo)系定義

HUG剛體可看作由滑翔機(jī)本體與左右兩個螺旋槳兩部分耦合而來，HUG產(chǎn)生的耦合運(yùn)動是在合力及力矩的共同作用下產(chǎn)生的運(yùn)動，其中重浮力差、水動力和螺旋槳推力是合力及力矩的主要貢獻(xiàn)者。因此，大翼展HUG各個模塊間的耦合運(yùn)動分析顯得尤為重要。建立航行器的固定坐標(biāo)系、運(yùn)動坐標(biāo)系和速度坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系定義

固定坐標(biāo)系E-XYZ是以大地為參考建立的。將海平面上HUG的啟動點(diǎn)作為固定坐標(biāo)系原點(diǎn)。根據(jù)右手定則定義各坐標(biāo)軸：取由尾部指向首部的EX方向為X軸的正向；EZ向右側(cè)為正；EY垂直向下為正。

運(yùn)動坐標(biāo)系B-xyz的原點(diǎn)B為HUG的浮心。隨著HUG的運(yùn)動，運(yùn)動坐標(biāo)系也隨之一起運(yùn)動。運(yùn)動坐標(biāo)軸同樣符合右手定則：Bx軸沿著HUG的縱向中心線，Bx正向設(shè)定為由原點(diǎn)指向艏部；By軸沿著機(jī)身的橫向，且設(shè)定正向為向右舷方向；Bz軸正向設(shè)定為垂直機(jī)身向下。

速度坐標(biāo)系B-xryrzr的原點(diǎn)與運(yùn)動坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。坐標(biāo)軸與運(yùn)動坐標(biāo)系相似，只是Bxr指向HUG的速度方向。

1.2 計算模型網(wǎng)格劃分

基于建模軟件完成HUG三維建模，航行器大翼展翼梢下方對稱分布導(dǎo)管槳，如圖2所示。航行器基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。導(dǎo)管槳參數(shù)如表2所示。

圖2 航行器幾何模型

表1 航行器基礎(chǔ)參數(shù)

表2 導(dǎo)管槳主要參數(shù)

在該計算模型中采用滑移動網(wǎng)格技術(shù)將螺旋槳計算域劃分為定域與動域，采用八叉樹算法生成計算域網(wǎng)格系統(tǒng)。

圖3為長方體計算域和航行器表面的網(wǎng)格劃分，航行器在長方體域中。航行器特征長度為L，長方體體積為6.0L×4.0L×3.0L，且航行器首部和尾部距入口分別為1.5L和4.5L，距上邊界為1.5L、距下邊界為2.5L，距左右邊界各為2.0L。

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

圖4為旋轉(zhuǎn)域和螺旋槳表面的網(wǎng)格劃分，將螺旋槳所處位置劃分出螺旋槳旋轉(zhuǎn)域，用于螺旋槳水動力計算。

圖4 導(dǎo)管槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分

在航行器的尾翼和螺旋槳的槳葉頂部局部區(qū)域加密處理。計算域網(wǎng)格總數(shù)約300萬個，其中每個螺旋槳旋轉(zhuǎn)域約50萬個。

1.3 計算工況及數(shù)值計算方法

1.3.1 計算工況

HUG具有水下滑翔和水下推進(jìn)兩種運(yùn)動模式，HUG全耦合運(yùn)動響應(yīng)數(shù)值計算包括4種狀態(tài)：(1)水平面內(nèi)的直航運(yùn)動；(2)水平面內(nèi)的繞圓運(yùn)動；(3)水中的下潛運(yùn)動；(4)水中的上浮運(yùn)動。

給定螺旋槳轉(zhuǎn)速n為初始條件，完成水平面內(nèi)的直航運(yùn)動數(shù)值預(yù)報，控制螺旋槳轉(zhuǎn)速在600～3 200 r/min均勻取樣，轉(zhuǎn)速間隔為600 r/min。給定螺旋槳轉(zhuǎn)速加速時間，時間步長為0.001 s，計算步數(shù)為5×104步，所需計算時間為50 s。計算工況如表3所示。

表3 HUG直航運(yùn)動計算工況

給定左右螺旋槳不同轉(zhuǎn)速(差速推進(jìn))，完成HUG在水平面內(nèi)的繞圓運(yùn)動數(shù)值預(yù)報。左螺旋槳恒定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，右螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 400～2 400 r/min，時間步長設(shè)置為0.001 s，計算步數(shù)為4×105步。計算工況如表4所示。

表4 HUG繞圓運(yùn)動計算工況

對于HUG在水中的上浮與下潛運(yùn)動數(shù)值預(yù)報，設(shè)重心坐標(biāo)為(0,0,0)，調(diào)整HUG重心與浮心的水平距離，計算穩(wěn)定時的滑翔姿態(tài)角。HUG初始縱傾角β=0°，上浮與下潛浮重力差為分別7 N和-7 N，時間步長為0.002，計算步數(shù)為105步。計算工況如表5所示。

表5 HUG上浮、下潛運(yùn)動計算工況

1.3.2 數(shù)值計算方法

計算物理模型選擇非穩(wěn)態(tài)模型；選擇單相流，流體密度設(shè)定為1 026 kg/m3，動力黏性系數(shù)取0.001 22 Pa·s；流體模型選擇k-omega(SST-Menter)；固壁選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；選擇指定壓強(qiáng)條件作為計算域的上下外邊界面的邊界條件，入口邊界、出口邊界和兩側(cè)邊界為遠(yuǎn)場。在不同運(yùn)動模式下，HUG在空間六自由度運(yùn)動方程求解過程中釋放的相應(yīng)自由度如下：

(1) 在推進(jìn)模式下，采用滑移網(wǎng)格處理螺旋槳旋轉(zhuǎn)域與固定域，整個計算域采用隨體動網(wǎng)格，采用鉸接方式連接螺旋槳與航行器本體。

① 對于HUG在水平面內(nèi)的直航運(yùn)動，釋放直航運(yùn)動方向的單自由度。

② 對于HUG在水平面內(nèi)的繞圓運(yùn)動，釋放縱蕩、橫蕩和艏搖等3個自由度。

(2) 在滑翔模式下，將螺旋槳與航行器本體固結(jié)，對于HUG的下潛和上浮運(yùn)動數(shù)值預(yù)報，釋放縱蕩、垂蕩和縱搖等3個自由度。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 直航運(yùn)動響應(yīng)分析

圖5和圖6為在螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下HUG航速時歷曲線和HUG阻力時歷曲線。由圖5和圖6可知：在不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下，當(dāng)螺旋槳發(fā)出的推力與航行器本體阻力達(dá)到平衡時，HUG航速達(dá)到穩(wěn)定值；當(dāng)螺旋槳與航行器本體在全耦合狀態(tài)下，HUG航速達(dá)0.94 m/s時，阻力為14.1 N，螺旋槳轉(zhuǎn)速約1 800 r/min；當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時，HUG航速可達(dá)1.85 m/s。

圖5 螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下HUG速度時歷曲線

圖6 螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下HUG阻力時歷曲線

2.2 繞圓運(yùn)動響應(yīng)分析

圖7為HUG繞圓運(yùn)動軌跡圖。由圖7可知：在左右螺旋槳不同差速下，HUG進(jìn)入穩(wěn)定圓周運(yùn)動，繞圓運(yùn)動的直徑隨著差速增大而減??；在研究工況下最大圓周運(yùn)動直徑為20.50L，最小圓周運(yùn)動直徑為2.04L，表明該款航行器推進(jìn)器布置方式使其具備較高的機(jī)動性能，可通過調(diào)整差速達(dá)到預(yù)期的圓周運(yùn)動軌跡。

圖7 HUG繞圓運(yùn)動軌跡

圖8為航行器回轉(zhuǎn)速度矢量圖，不同圓形半徑表示HUG運(yùn)動速度，繞圓運(yùn)動速度隨著差速增大而減小。由圖8可知，在左右螺旋槳不同差速下，HUG在x和y方向均可達(dá)到穩(wěn)定航行速度。

圖8 HUG回轉(zhuǎn)速度矢量圖

在不同差速下HUG回轉(zhuǎn)直徑與回轉(zhuǎn)末速度如表6所示。

表6 回轉(zhuǎn)半徑與回轉(zhuǎn)末速度

2.3 HUG上浮與下潛運(yùn)動響應(yīng)分析

圖9～圖12分別為HUG上浮、下潛運(yùn)動時x方向和z方向速度時歷曲線圖與HUG上浮、下潛運(yùn)動時縱傾角時歷曲線圖。由圖9～圖12可知：

圖9 HUG上浮時x和z方向速度時歷曲線

圖10 HUG上浮時縱傾角時歷曲線

圖11 HUG下潛時x和z方向速度時歷曲線

圖12 HUG下潛時縱傾角時歷曲線

(1) 當(dāng)HUG上浮時，x方向和z方向達(dá)到穩(wěn)定速度，x方向速度為0.32 m/s，z方向速度為0.10 m/s。

(2) 當(dāng)HUG下潛時，x方向和z方向達(dá)到穩(wěn)定速度，x方向速度為0.28 m/s，z方向速度為0.07 m/s。

(3) 由于翼展下緣布置的2個推進(jìn)器引起航行器上下表面不對稱，在航行過程中不同迎流攻角產(chǎn)生的水動力阻力不同，在下潛時推進(jìn)器處于迎流面，產(chǎn)生阻力明顯大于上浮時處于背流面狀態(tài)，因此HUG上浮的穩(wěn)定航速大于下潛狀態(tài)。

(4) 當(dāng)HUG上浮時，縱傾角β=14.3°，下潛滑翔角為17.4°。與海燕2號的下潛滑翔角(27°)相比，該HUG滑翔角更小，在下潛深度相同時，水平方向位移更大，使該HUG工作效率更高，表明大翼展航行器的高升阻比特性在實現(xiàn)水下航行器的長航程方面具有一定的優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

與由回轉(zhuǎn)體和水翼組成的混合驅(qū)動UUV相比，大翼展HUG具有更高的升阻比，且在翼梢下方布置推進(jìn)器，對兩個推進(jìn)器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制可實現(xiàn)HUG航行姿態(tài)和運(yùn)動控制。

基于黏性流體理論，采用滑移和隨體動網(wǎng)格技術(shù)，耦合求解運(yùn)動方程，開展HUG在推進(jìn)和滑翔模式下運(yùn)動響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報，對航行器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。主要結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)左右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，HUG達(dá)到設(shè)計航速1.5 kn時，HUG總體阻力約15 N。

(2) 在左右螺旋槳不同差速下HUG均進(jìn)入穩(wěn)定圓周運(yùn)動，繞圓運(yùn)動直徑隨著差速增大而減小，在計算工況中最大回轉(zhuǎn)直徑為20.5L，最大回轉(zhuǎn)速度為0.72 m/s。

(3) 翼展下緣布置2個推進(jìn)器，引起航行器上下表面不對稱，因此在下潛時推進(jìn)器處于迎流面，產(chǎn)生阻力明顯大于上浮時處于背流面狀態(tài)，HUG上浮時的穩(wěn)定航速大于下潛狀態(tài)。

(4) 采用大翼展構(gòu)型，HUG上浮和下潛滑翔時的縱傾角分別為14.3°和17.4°，優(yōu)于同類航行器的縱傾角(27°)，表明大翼展航行器的高升阻比特性在實現(xiàn)水下航行器的長航程具有一定優(yōu)勢。