基于CFD不同AUV艇體阻力性能研究

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(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

無人自治水下運(yùn)載器(autonomous underwater vehicle,AUV)作為探索海洋、開發(fā)資源和軍事作戰(zhàn)等水下應(yīng)用的重要手段，航速和續(xù)航力是評價其航行性能優(yōu)劣的重要方面。增大航速和提高續(xù)航力的直接方法便是降低其在水下航行時所受到的阻力，AUV在水下航行時的阻力主要取決于幾何形狀及尺寸以及其附體的尺寸。文獻(xiàn)[1]中選取細(xì)長體AUV裸船體，針對不同網(wǎng)格數(shù)量選取3種湍流模式k-ε，RNGk-ε，SSTk-ω進(jìn)行了CFD阻力計算，將計算結(jié)果與在循環(huán)水槽進(jìn)行實驗得到實驗值對比得到SST k-模式模擬誤差最小;文獻(xiàn)[2]針對AUV艉舵的設(shè)計問題利用CFD討論了航速在2 m/s采用NACA翼型設(shè)計艉舵的水動力性能，AUV的附體包括深海攝像頭，定深聲吶，吊環(huán)以及通信天線，十字舵及固定裝置，整流罩等。國內(nèi)對不同AUV艇體形狀的阻力和附體引起艇體阻力增加研究較少。

1 建立艇體幾何模型

1.1 AUV主艇體設(shè)計

在深入研究AUTOSUB、HUGIN、REMUS、BLUEFIN形狀幾何特征基礎(chǔ)上，選取不同的尺寸艇體作為研究對象，主艇體參數(shù)主要分為艇體總長度L(包括艏部長度Lf、中部長度Lm和艉部長度La)和艇體最大直徑D，BLUEFIN根據(jù)艇體艏部不同分為流線型BLUFFIN1和鈍型BLUFFIN2，見圖1。具體主艇體的尺寸見表1。

圖1 帶十字舵的AUTOSUB型和帶整流罩的BLUEFIN1三維體幾何圖

1.2 艉部十字舵和整流罩的設(shè)計

艉舵翼型的厚度越大，對應(yīng)的失速攻角越大，且能達(dá)到的最大升力系數(shù)也越大。文中選用NACA0012翼型的十字舵，該翼型失速時攻角已達(dá)到16°且能達(dá)到很高的升阻比，所以能在較小的阻力情況下得到較大的操縱力矩。

2)HUGIN艇體十字舵。剖面形狀采用NACA0012翼型，其根部弦長為460 mm，翼端弦長為240 mm，半展長為380 mm(λ=1.086)，導(dǎo)緣距AUV頭部4 840 mm。

3)REMUS艇體十字舵。剖面形狀采用NA-CA0012翼型，其根部弦長130 mm，翼端弦長為80 mm，半展長為140 mm(λ=1.33)，導(dǎo)緣距AUV端部2 250 mm。

表1 不同艇體幾何參數(shù)

表2 AUTOSUB型十字舵的主要參數(shù) mm

4)BLUEFIN艇體整流罩[4]。剖面形狀采用NACA0012翼型，其寬度為150 mm，直徑為420 mm，其起始端距AUV艉端150 mm。

2 AUV艇體CFD數(shù)值模擬和阻力性能分析

在工程允許的誤差范圍內(nèi)，數(shù)值模擬與模型實驗得到阻力數(shù)值相比精度相當(dāng)，不僅耗費(fèi)少而且可以獲得舵對船體流場影響、整流罩對艇體艉流場影響等詳細(xì)信息。

2.1 CFD數(shù)值模擬結(jié)果評判分析

在文獻(xiàn)[1]中，通過對AUV建模，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε，SSTk-ω共3種湍流模式進(jìn)行阻力數(shù)值計算，并且和實驗數(shù)據(jù)對比可以驗證SSTk-ω模式預(yù)測精度較高。由于AUV在水下一定深度自主航行，興波阻力可以忽略不計，阻力主要分為由于水的粘性引起的摩擦阻力和由于艉流場漩渦引起的粘壓阻力，根據(jù)相當(dāng)平板假定和ITTC公式可以計算得到艇體摩擦阻力，與CFD計算得到的摩擦阻力對比修正[5]。

(1)

式中：Δerror——誤差;

RfITTC——摩擦阻力公式計算值;

RfCFD——CFD計算的摩擦阻力。

1964年由群眾出版社出版，是清朝末代皇帝愛新覺羅·溥儀在撫順戰(zhàn)犯看管所中所寫的“反省式”自傳，記錄了他從登基到流亡到接受新中國“改造”的過程，是一部回憶錄，更是一本特定歷史環(huán)境下的自省書。

4種艇型對應(yīng)3種湍流模式阻力計算誤差見圖2。

圖2 4種艇型對應(yīng)3種湍流模式阻力計算誤差

采用SSTk-ω湍流模式數(shù)值模擬不同水下航行器阻力性能得到的摩擦阻力，與應(yīng)用“相當(dāng)平板”假定和ITTC公式所得摩擦阻力計算值誤差基本上在5%以內(nèi)，滿足工程精度要求，摩擦阻力數(shù)值仿真預(yù)報達(dá)到了比較高的精度[6-7]。RNGk-ε模式和SSTk-ω模式效果較標(biāo)準(zhǔn)k-ε好，且SSTk-ω模式要比RNGk-ε模式更精確，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模式相較于前兩者，精度不是很高。在文獻(xiàn)[1]中對比實驗和CFD數(shù)值計算結(jié)果，SSTk-ω湍流模式適用于水下艇阻力計算，在后續(xù)阻力性能研究中均采用SSTk-ω湍流模式進(jìn)行阻力數(shù)值模擬[8]。

2.2 AUV阻力性能分析

2.2.1 不同類型相似長徑比裸船體阻力性能

1)如圖3a)，比較2種AUV艇型對應(yīng)單位排水量總阻力，AUTOSUB大約是REMUS的30%～50%，阻力性能AUTOSUB艇型大于REMUS艇型；REMUS在低速時與AUTOSUB型單位排水量總阻力接近，但隨著速度增加其單位排水量總阻力上升很快，因此REMUS更適合低速航行。

2)如圖3b)，2種AUV徑長比(AUTOSUB為4.77，HUGIN 5.05)接近，比較兩者的單位排水量的總阻力AUTOSUB的較小，艇型阻力性能AUTOSUB型大于HUGIN型。

3)如圖3c)，2種AUV徑長比相等，阻力性能HUGIN型大于BLUEFIN2型。比較高速和低速時單位排水量總阻力，BLUEFIN2型阻力增長的幅度較大，BLUEFIN2一般適應(yīng)于低速航行。

4)如圖3d)，2種艇型徑長相近, 艇體最大直徑相等，可以發(fā)現(xiàn)阻力性能BLUEFIN1型大于BLUEFIN2型。隨著速度增加BLUEFIN2比BLUEFIN1單位排水量總阻力差別不大，在低速情況下，BLUEFIN鈍型艏部和流線型阻力性能相差不大，后續(xù)研究可以圍繞高速阻力性能進(jìn)行。

圖3 相似徑長比不同類型AUV單位排水量總阻力隨航速變化曲線

5)如圖3e)，3種艇體的徑長比(AUTOSUB 5.50, HUGIN 5.47, BLUFIN1 5.3)比較接近，通過比較不同航速下單位排水量的總阻力和粘壓阻力，AUTOSUB型大于HUGIN型大于BLUEFIN1型；HUGIN型阻力性能與AUTOSUB相差不是很大；隨著航速的增加BLUFFIN型阻力增加非常迅速，同樣可以得出該型AUV只適合低速航行。

6)如圖3f)，3種艇型的徑長比較接近(AUTOSUB 7.15，REMUS 7.4，BLUEFIN2 8.09)，阻力性能AUTOSUB大于REMUS大于BLUEFIN，隨著航速增加AUTOSUB單位排水量總阻力差別越來越明顯。綜合上述討論研究，相似長徑比1～5 kn航速情況下阻力性能優(yōu)劣排序如下。

AUTOSUB大于REMUS大于BLUEFIN1等同于BLUEFIN2

AUTOSUB大于HUGIN大于BLUEFIN1等同于BLUEFIN2

AUTOSUB阻力性能最佳，相同徑長比的HUGIN和BLUEGIN阻力性能比較需要后續(xù)研究[9]。

2.2.2 帶十字舵艇體阻力性能比較分析

1)如圖4，兩種帶舵AUV艇體徑長比(AUTOSUB 5.50, HUGIN 5.47)和舵展弦比(AUTOSUB 0.93, HUGIN 1.086)都較接近，比較不同航速下阻力曲線，AUTOSUB單位排水量總阻力和粘壓阻力都較HUGIN小，所以帶十字舵的AUTOSUB型阻力性能也優(yōu)于HUGIN型。在低速航行時(大約在1～2 kn)兩者單位排水量總阻力相近，高速時AUTOSUB型具有更好的阻力性能。

2)隨著艇體最大直徑的增加，AUTOSUB型AUV帶十字舵阻力增加的比例呈減小的趨勢，由于受到艇體流場的影響，艇體直徑較小時，十字舵一部分處在湍流場中一部分處在層流場中，而當(dāng)艇體直徑變大，十字舵全部浸入艉流湍流場，增加了對艉流場漩渦的干擾，減小了艇體的壓差阻力。在艇體直徑一定5 kn高航速情況下，展弦比為1.87的AUV帶十字舵阻力增加比例較其他展弦比阻力增加比例大，且小展弦比工況下阻力增加值比例呈現(xiàn)交替的現(xiàn)象。展弦比為0.93的AUV艇體阻力增加比例范圍在8%～12%之間，隨著直徑的增大也曾減小趨勢，且在小直徑情況下隨航速變化較穩(wěn)定，但是在直徑為1 200 mm的AUV在航速為1～3 kn時有比較大的波動[10]。見圖5。

圖4 帶十字舵AUTOSUB型和HUGIN型單位排水量總阻力和粘壓阻力隨航速變化示意

圖5 AUTOSUB型不同直徑不同舵展弦比較無舵時總阻力增大比例

2.2.3 帶整流罩和無整流罩的BLUEFIN型AUV阻力性能比較

如圖6，帶整流罩BLUFIN2艇體最大直徑(450 mm)和整流罩直徑(420 mm)相當(dāng)，單位排水量粘壓阻力比無整流罩艇體增加比例隨航速增大而增大直至趨于穩(wěn)定，單位排水量摩擦阻力比無整流罩艇體增加比例隨航速增加而逐漸減小趨于穩(wěn)定，比較表3和圖7，隨著航速的增加帶整流罩的BLUFIN艇體比無整流罩的艇體總阻力差值逐漸增加，BLUEFIN1和BLUEFIN2的阻力性能相近，流線型BLUEFIN比鈍性BLUEFIN阻力性能在無整流罩情況下比帶整流罩艇體阻力稍小些，但優(yōu)勢不是很明顯，流線型BLUEFIN阻力增加隨航速變化較大，而鈍性BLUEFIN阻力增加幾乎不受航速的影響。

表3 不同航速下有無整流罩BLUEFIN型總阻力增加比例

注：zlz為整流罩

圖6 帶整流罩BLUEFIN2 摩擦阻力和粘壓阻力增加比例隨航速變化示意

圖7 有無整流罩的流線型和鈍性BLUEFIN總阻力隨航速變化

3 結(jié)論

通過對5種典型艇體的阻力研究，得到不同艇體在不同航速下的阻力特性和十字舵和整流罩對艇體阻力性能影響，對AUV艇體型線設(shè)計和快速性設(shè)計有很好的參考意義，降低艇體總阻力需要對十字舵展弦比和在艇體表面位置以及整流罩直徑進(jìn)行優(yōu)化，考慮到實際艇體表面有聲吶、吊環(huán)等附體，所引起的附體阻力相對于主艇體阻力雖然比較小，但需要對艇體總阻力進(jìn)行修正。主艇體型線設(shè)計是AUV設(shè)計中至關(guān)重要的部分，直接影響艇體內(nèi)部設(shè)備的總體布置，后續(xù)工作可以研究不同剖面形狀在獲得較大艙容前提下減小阻力以提高艇體航行性能。

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