水下滑翔器整體外形設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能分析

孟凡豪，嚴(yán)天宏，何 波，徐新勝

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018;2.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島025506)

水下滑翔器(AUG，Autonomous Underwater Glider)是20世紀(jì)90年代以浮標(biāo)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新型水下測(cè)量?jī)x器搭載平臺(tái)［1］。與傳統(tǒng)的水下自航行平臺(tái)相比較，其具有航程大，低噪聲，低成本等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著海洋監(jiān)測(cè)和海洋開(kāi)發(fā)的需求增長(zhǎng)，水下滑翔器的研究與應(yīng)用前景得到了海洋研究領(lǐng)域的充分認(rèn)識(shí)，并廣泛地開(kāi)展起來(lái)［2-4］。目前可以成功進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的水下滑翔器主要有三大類(lèi)型:Scripps海洋研究所研制的Spray滑翔器，華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)的Seaglider滑翔器，Webb公司生產(chǎn)的Slocum滑翔器。這3種滑翔器的航程都超過(guò)了2 000 km，水下續(xù)航時(shí)間達(dá)到百余天，甚至1年［5-9］。

現(xiàn)在水下滑翔器的驅(qū)動(dòng)方式有依靠浮力驅(qū)動(dòng)、電能驅(qū)動(dòng)、溫差驅(qū)動(dòng)，還出現(xiàn)利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水下滑翔器［10-11］。根據(jù)水下滑翔器工作環(huán)境的不同采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，這些都是為了提高水下滑翔器的水下速度、延長(zhǎng)續(xù)航能力等特性。通過(guò)查閱資料了解到，現(xiàn)在的水下滑翔器很難同時(shí)滿足高速、長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間這兩個(gè)主要性能指標(biāo)。水下滑翔器的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性是目前研發(fā)人員最關(guān)注的問(wèn)題之一。減小水下滑翔器的俯仰力矩，提高升阻比，是現(xiàn)階段提高水下滑翔器經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的主要手段。

基于CFD方法，對(duì)水下滑翔器的主體進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，通過(guò)不同構(gòu)型主體的水動(dòng)力仿真對(duì)比，獲得最優(yōu)外形;同時(shí)，還對(duì)水下滑翔器的附體機(jī)翼和尾翼進(jìn)行了翼型的選擇及設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了水下滑翔器的水動(dòng)力特性;對(duì)設(shè)計(jì)后的水下滑翔器進(jìn)行了整體的水動(dòng)力分析，并與Slocum等幾種經(jīng)典水下滑翔器樣機(jī)模型進(jìn)行了性能比較，獲得在特定攻角范圍內(nèi)的最佳升阻比，同時(shí)驗(yàn)證了新的水下滑翔器模型的水動(dòng)力性能有了很大的提升。

1 主體設(shè)計(jì)及選擇

1.1 主體模型的建立

水下滑翔器的基本功能相差不大，已有水下滑翔器的總體質(zhì)量大約為50～70 kg左右。設(shè)計(jì)的目標(biāo)水下滑翔器總質(zhì)量定在60 kg左右。

根據(jù)水下滑翔器的質(zhì)量M，初步估算滑翔器在水中的排水量:

滑翔器的主體外形大體定為長(zhǎng)2 m，主體直徑0.2 m。下面有五種主體外形設(shè)計(jì)構(gòu)型，在選擇時(shí)要充分考慮主體的水動(dòng)力性能、可加工性以及內(nèi)部空間的可利用性。如圖1～圖3所示，構(gòu)型Ⅰ到構(gòu)型Ⅲ是基于Slocum水下滑翔器樣機(jī)在已有的尺寸上進(jìn)行修改得到的［12-13］。

圖1 AUG1主體構(gòu)型IFig.1 Body Type I

圖2 AUG2主體構(gòu)型IIFig.2 Body Type II

圖3 AUG3主體構(gòu)型IIIFig.3 Body Type III

構(gòu)型Ⅰ:主體兩端采用直徑為0.2 m的半球體，中間部分是直徑為0.2 m，長(zhǎng)為1.8 m的圓柱體，如圖1所示。該構(gòu)型的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，成本低，空間有效利用率較高，但是水動(dòng)力特性很差。

構(gòu)型Ⅱ:主體的首端依然是直徑為0.2 m的半球體，尾端修正為偏心率e為3.5的半橢圓體，中間部分為直徑0.2 m的圓柱體，如圖2所示。該構(gòu)型的主要特點(diǎn)是相對(duì)構(gòu)型1其水動(dòng)力特性得到了一定的提高，但是加工復(fù)雜性增加，內(nèi)部空間有效利用率下降。

構(gòu)型Ⅲ:主體首端修正為偏心率e為3的半橢圓體，尾端為偏心率e為3.5的半橢圓體，中間部分為直徑0.2 m的圓柱體，如圖3所示。該構(gòu)型進(jìn)一步提升了水下滑翔器的水動(dòng)力特性，但在加工、有效空間利用等方面的性能被進(jìn)一步的削弱。前3種構(gòu)型是水下滑翔器現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的幾種主流主體外形，綜合其特點(diǎn)為加工簡(jiǎn)單、成本低廉、空間利用率較高，有較好的水動(dòng)力性能。

構(gòu)型Ⅳ:依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓線性方程設(shè)計(jì)的頭尾對(duì)稱的雙參數(shù)橢圓回轉(zhuǎn)體作為水下滑翔器的主體，其長(zhǎng)短軸分為1.8和0.24 m，如圖4所示。該構(gòu)型在滑翔器的水動(dòng)力性能和有效空間利用上都有很大的提升空間。

構(gòu)型Ⅴ:采用NACA0012流線型線性方程設(shè)計(jì)的“雨滴”狀回轉(zhuǎn)體，其長(zhǎng)度為2 m，最大直徑為0.24 m，如圖5所示。該構(gòu)型與前三種構(gòu)型相比較，其外形可以推遲邊界層分離、減少漩渦阻力，使水下滑翔器的水動(dòng)力性能有很大的提高，相對(duì)不足之處是有效空間利用有所下降。用“雨滴”狀回轉(zhuǎn)體作為水下滑翔器的主體是一個(gè)積極而有益的探索。

圖4 AUG4主體構(gòu)型IVFig.4 Body Type IV

圖5 AUG5主體構(gòu)型VFig.5 Body Type V

下文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent?分別對(duì)上述五種主體構(gòu)型進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算與分析，通過(guò)綜合對(duì)比分析得到最優(yōu)結(jié)果。

1.2 網(wǎng)格的劃分及計(jì)算條件的設(shè)定

滑翔器在水下航行時(shí)，以雷諾數(shù)來(lái)判別流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)的定義公式為

式中:ρ為流體密度，v為入流速度，L為流體特征長(zhǎng)度，μ為流體粘性系數(shù)。對(duì)于外流場(chǎng)判斷湍流的標(biāo)準(zhǔn)為［14］:外掠平板時(shí)雷諾數(shù)Re大于5×105，外掠障礙物時(shí)大于2×104。這五種構(gòu)型中，雷諾數(shù)Re在1.6×106左右，故為湍流。

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量在100萬(wàn)到110萬(wàn)。在靠近水下滑翔器殼體的壁面處劃分出一個(gè)小的區(qū)域并進(jìn)行網(wǎng)格加密，這樣可以保證網(wǎng)格疏密合理分布，又能減少總體網(wǎng)格數(shù)目，在不降低準(zhǔn)確度的條件下可以加快計(jì)算速度。

計(jì)算條件的設(shè)定

1)計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)12 m，半徑3 m的圓柱體區(qū)域，邊界條件為速度入口，壓力出口。計(jì)算區(qū)域是模型的六倍，可以充分模擬流場(chǎng)環(huán)境，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用壓力出口條件，這樣可以考慮回流情況，使計(jì)算更容易收斂。

2)水下滑翔器的所有壁面均設(shè)定為靜止無(wú)滑移壁面，壁面粗糙度為0，其它壁面均為無(wú)滑移壁面。流體材料設(shè)定為水密度998.2 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘性0.001 003 kg/m·s。

3)采用三維單精度壓力基求解器，壓力基求解器主要用于低速不可壓縮流動(dòng)的求解，密度求解器收斂速度快，但需要更多的內(nèi)存和計(jì)算量，這里考慮到計(jì)算的是一個(gè)低速不可壓縮流場(chǎng)，網(wǎng)格的數(shù)量很大，故采用壓力基求解器。湍流模型選取為RNG k-ε模型，RNG k-ε模型考慮了湍流漩渦，RNG理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析公式，這些特點(diǎn)使得RNG k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型等在更廣泛的流動(dòng)中有更高的可信度和精度［4］。

4)壓力-速度耦合采用SIMPLE方法;離散格式中壓力采用PRESTO離散，動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，其余為一階迎風(fēng)差分格式。PRESTO離散可以保證計(jì)算的穩(wěn)定性，二階迎風(fēng)差分格式可以提高計(jì)算精度，但是會(huì)增加計(jì)算量。所有參數(shù)的收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為0.000 1。

1.3 模型數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性，按照上述方法計(jì)算的Slocum水下滑翔器在不同攻角下的阻力系數(shù)和文獻(xiàn)［15-16］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比如表1所示。由表1可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相近，文獻(xiàn)［16］與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為9.35%，本文最大誤差為7.2%，完全滿足計(jì)算的精度，驗(yàn)證了本文CFD模型的正確性與可靠性。

表1 針對(duì)阻力系數(shù)［15］CD本文數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證Tab.1 The comparison of the CDbetween the proposed numerical simulation and Reference［15］

1.4 模型數(shù)值計(jì)算收斂性的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的收斂性，計(jì)算模型2在速度為0.5 kn、攻角0°下的水動(dòng)力值。所有參數(shù)的收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為0.000 1。改變模型2的網(wǎng)格疏密程度，圖6和圖7分別是在80萬(wàn)網(wǎng)格和120萬(wàn)網(wǎng)格下，模型2的升力系數(shù)收斂曲線。從圖6到圖7可以看出，網(wǎng)格疏密不影響計(jì)算結(jié)果，迭代1 000次后升力系數(shù)不再變化，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算已收斂。

圖6 80萬(wàn)網(wǎng)格時(shí)的模型2升力系數(shù)CL收斂曲線Fig.6 Lift CLconvergence curve for Model 2

圖7 120萬(wàn)網(wǎng)格時(shí)模型2的升力系數(shù)CL收斂曲線Fig.7 Lift CLconvergence curve for Model 2

1.5 水動(dòng)力性能的計(jì)算與分析

利用Fluent?的后處理功能可以計(jì)算出主體受到的阻力，無(wú)量綱化得到阻力系數(shù)。阻力系數(shù)和升力系數(shù)的計(jì)算公式分別為:

式中:ρ為水的密度;V為入流速度;Sd為主體的迎流截面面積或表面面積(選用不同面積時(shí)，阻力系數(shù)不同，這里選迎流截面面積計(jì)算);當(dāng)計(jì)算的是機(jī)翼時(shí)，Sl為翼面的最大面積;L為升力;D為阻力。表2是五種方案主體在0.5 kn速度下的主要水動(dòng)力參數(shù)。

表2 五種主體主要水動(dòng)力參數(shù)Tab.2 The main hydraulic parameters of five body types

表2的計(jì)算結(jié)果表明:在速度為0.5 kn，攻角為0°的情況下，從構(gòu)型AUG1到AUG5水下滑翔器主體構(gòu)型的水動(dòng)力性能不斷提高，AUG4橢圓回轉(zhuǎn)體與前三種主體構(gòu)型相比，阻力分別減少了27%、10%、4%;AUG5“雨滴”狀回轉(zhuǎn)體與其他四種主體構(gòu)型相比，阻力分別減少了33%、17.8%、12.2%和8.5%;這兩種構(gòu)型使水下滑翔器的阻力都有很大幅度的降低。圖8是這五種主體構(gòu)型在攻角為0°、不同速度條件下繪制的阻力曲線對(duì)比圖。圖8表明:隨著水下滑翔器速度的增大，主體所受到的阻力也不斷增大。通過(guò)對(duì)比可以看出AUG4、AUG5所受阻力的增長(zhǎng)幅度始終低于其余三種主體，并且隨著速度的增加，AUG4、AUG5的阻力增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小于其余三種主體的阻力增長(zhǎng)幅度。AUG5“雨滴”狀回轉(zhuǎn)體的尾端比較狹長(zhǎng)，使有效空間的利用率很低，加工難度較大;AUG4水動(dòng)力性能良好，空間利用率較高，加工難度不大，綜合考慮，這里選取AUG4作為水下滑翔器的主體。從圖9、圖10，可以分別看出AUG4主體構(gòu)型的動(dòng)壓力分布和速度分布情況。

圖8 攻角為0°不同速度下主體阻力曲線對(duì)比Fig.8 The drag force vs.the velocity with attack angle at 0°

圖9 AUG4的動(dòng)壓(Dynamic Pressure)分布Fig.9 The distribution of dynamic pressure of AUG Type IV

圖10 AUG4的二維速度矢量圖Fig.10 The 2D velocity vector of AUG Body Type IV

2 附體設(shè)計(jì)及優(yōu)選

水下滑翔器的附體包括機(jī)翼和方向尾翼。水下滑翔器要求滑翔機(jī)翼及方向尾翼在水下滑翔機(jī)的攻角、漂角范圍內(nèi)，盡量避免在翼上發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，以減少航行阻力和能耗。同時(shí)機(jī)翼應(yīng)具備較大的升阻比，以提高兩翼的工作效率。

2.1 機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1.1 翼型選擇

因?yàn)樗禄铏C(jī)要在水中完成上浮和下潛運(yùn)動(dòng)，攻角會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替的現(xiàn)象，要保證在兩種狀態(tài)下翼型均有良好表現(xiàn)，選用對(duì)稱翼型。低速的對(duì)稱翼型可選用平板翼和曲面翼兩種。

相關(guān)資料表明［17-18］:平板翼型的特點(diǎn)是型面簡(jiǎn)單、易于加工、成本低廉但相應(yīng)的流體動(dòng)力性能比曲面翼型差得多，易發(fā)生流動(dòng)分離使阻力增大。而曲面翼型則相反，不易發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象。因此，翼型的選擇要在效率和加工工藝之間加以權(quán)衡從而決定采用哪種。為了研究?jī)煞N翼型對(duì)升阻比的影響，采用Fluent?軟件對(duì)面積相同的平板翼和曲面翼進(jìn)行水動(dòng)力模擬。圖11是模擬水流速度為0.3 m/s，不同攻角下的兩組翼型的升阻比變化曲線，顯而易見(jiàn)，曲面翼的升阻比性能優(yōu)于平板翼。通過(guò)圖11對(duì)比可知，兩種翼型的升阻比都會(huì)隨著攻角的增大而提高，曲面翼的升阻比增大趨勢(shì)明顯大于平板翼，可以提高50%左右，其水動(dòng)力性能更加優(yōu)越，雖然加工相對(duì)復(fù)雜，但曲面翼仍會(huì)成為水下滑翔器的主流翼型。

2.1.2 機(jī)翼優(yōu)選

目前水下滑翔器選擇的曲面翼型基本為NACA系列翼型，本文將采用NACA0005翼型。在主體參數(shù)確定的情況下改變NACA0005機(jī)翼的翼展長(zhǎng)l，梢弦長(zhǎng)b1，后掠角λ，如圖12所示。

圖11 兩種機(jī)翼升阻比隨攻角變化關(guān)系曲線圖Fig.11 The lift and drag ratio curves of 2 types of airfoils vs.the attack angle

圖12 翼的平面形狀［19］Fig.12 The planar shape of airfoil［19］

在攻角為6°，航速為0.3 m/s，根梢比η=2.5的情況下進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)法［16］可以得到設(shè)計(jì)參數(shù)的多種組合，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加豐富，可以分析相應(yīng)規(guī)律得到最優(yōu)結(jié)果。正交參數(shù)仿真組合情況如表3所示。

表3 正交參數(shù)仿真組合表Tab.3 The orthogonal parameters combination for simulation

機(jī)翼對(duì)水下滑翔器經(jīng)濟(jì)性的影響，可以由滑翔器的升阻比L/D來(lái)評(píng)價(jià)［16］，升阻比越大，滑翔經(jīng)濟(jì)性越高。正交試驗(yàn)的組合模型，采用CFD軟件進(jìn)行水動(dòng)力模擬仿真實(shí)驗(yàn)，得到每個(gè)模型的升阻比。正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交參數(shù)表及仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The orthogonal parameters and corresponding simulation results

正交試驗(yàn)結(jié)果表明，第4，7，8，9組翼型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他幾組相比水動(dòng)力性能提升很高。圖13與圖14是第9組機(jī)翼表面速度分布和壓力分布情況?？煽闯龅?組實(shí)驗(yàn)翼型能夠有效避免翼上發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，以減少航行阻力、降低能耗;同時(shí)具有較大的升阻比，可提高兩翼的工作效率。

圖13 機(jī)翼表面速度分布Fig.13 The velocity distribution for airfoil

圖14 機(jī)翼表面動(dòng)壓力分布Fig.14 The dynamic pressure distribution for airfoil

2.2 尾翼設(shè)計(jì)

尾翼的主要作用是保證水下滑翔器在最大速度及帶攻角運(yùn)動(dòng)時(shí)具有足夠的效率，通過(guò)與機(jī)翼配合產(chǎn)生的流體動(dòng)力來(lái)提供水下滑翔器航向的穩(wěn)定性。

根據(jù)文獻(xiàn)［19］，尾翼選用NACA0024翼型，可以保證足夠的效率和穩(wěn)定性。尾翼的阻力效率受展弦比及后掠角的影響，選用較大展弦比及小后掠角盡量減小尾翼的阻力。

表5 尾翼后掠角性能比較Tab.5 The comparison of performances of different angles

翼展l=0.2 m，展弦比λ=2，根梢比η=1.6，根弦長(zhǎng) b0=0.16 m，梢弦長(zhǎng) b1=0.1 m。設(shè)定如表5中設(shè)計(jì)4個(gè)尾翼的后掠角方案，攻角為 0°，速度 0.3 m/s。利用Matlabc的曲線擬合工具，將阻力系數(shù)和后掠角的關(guān)系擬合為二次函數(shù)，并得到兩者的經(jīng)驗(yàn)公式，如圖15所示。

由經(jīng)驗(yàn)公式和圖形以及表5得出結(jié)論:尾翼的后掠角在15°到20°之間阻力系數(shù)最小，考慮到加工和材料的因素，選擇15°和20°作為較優(yōu)值。

2.3 具體模型分析

圖15 阻力系數(shù)和后掠角的關(guān)系擬合曲線Fig.15 Relationship between CDand sweep angle

根據(jù)飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，從減小阻力的角度考慮，機(jī)翼最大橫截面位置在機(jī)身長(zhǎng)度的60%處最好。水下滑翔器機(jī)翼的最大橫截面布置在主載體長(zhǎng)度60%處，可獲得最好的水動(dòng)力性能。根據(jù)上述研究和分析結(jié)果，為進(jìn)一步研究在不同航行攻角下附體對(duì)水下滑翔器的升阻比L/D和最大俯仰力矩 Mpitch的影響，對(duì)表5所示的5個(gè)具有不同機(jī)翼參數(shù)的具體模型進(jìn)行航速為0.5 kn、攻角為0°～20°的數(shù)值模擬。升阻比L/D和最大俯仰力矩 Mpitch決定水下滑翔器的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性［16］。依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果和尾翼后掠角性能比較結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了5種水下滑翔器模型，這5種模型是由正交試驗(yàn)第4，7，8，9組實(shí)驗(yàn)翼型和尾翼模型中的方案2和3組合而成，具體模型參數(shù)如表5所示。圖16和圖17分別是模型2和模型3的外形效果圖。圖18為8°攻角下模型2的表面速度矢量分布圖，圖19為8°攻角下模型3的表面動(dòng)壓力分布云圖。各模型其他參數(shù)的模擬結(jié)果比較如圖20和圖21所示。

圖16 模型2的外形效果圖Fig.16 The shape of Model 2

圖17 模型3的外形效果圖Fig.17 The shape of Model 3

圖18 模型2的表面速度矢量分布圖Fig.18 The velocity distribution for Model 2

圖19 模型3的表面動(dòng)壓力分布云圖Fig.19 The dynamic pressure distribution for Model 3

表6 具體模型參數(shù)Tab.6 Parameters of specific models

由表6和圖19中的模型1、模型2、模型3和模型5可知，水下滑翔器的升阻比L/D隨著翼展的增加而增加，而隨著后掠角的增大而下降;在上面機(jī)翼的正交試驗(yàn)中，機(jī)翼的升阻比L/D隨著后掠角的增大而增大，由此可推知，單獨(dú)進(jìn)行水動(dòng)力性能分析最優(yōu)的機(jī)翼不能確保水下滑翔器整體的水動(dòng)力性能達(dá)到最優(yōu)。由圖21中的模型1、模型2和模型5可知，水下滑翔器的最大俯仰力矩 Mpitch隨著后掠角的增加而減小，即穩(wěn)定性增加，機(jī)翼的重心位置越靠后其穩(wěn)定性越高。由圖20和圖21中的模型4和模型5可知，在低攻角范圍內(nèi)，水下滑翔器的升阻比L/D隨著尾翼后掠角的增大而減小，當(dāng)攻角超過(guò)6°后，隨著尾翼后掠角的增大而略微增大;水下滑翔器的最大俯仰力矩 Mpitch隨著尾翼后掠角的增大而增大，即穩(wěn)定性下降。

由圖20可知，模型3的升阻比明顯大于其余模型，模型1和模型2的升阻比值相近，模型2整體上略微優(yōu)于模型1。模型3的升阻比與模型2、模型4和模型5相比提高了4.4%、9%和10%，模型2與模型4和模型5相比提高了4.5%和4.8%。而由圖21可以看出，模型3的最大俯仰力矩大于其余模型，其穩(wěn)定性下降明顯。模型3的穩(wěn)定性與模型2、模型4和模型5相比下降了19.8%、23%和24%。模型2與模型1最大俯仰力矩曲線基本相近，比模型4和模型5增大了4.3%和4.7%。

圖20 升阻比L/D隨攻角的變化關(guān)系Fig.20 Relationship between L/D and attack angle

圖21 最大俯仰力矩 Mpitch隨攻角的變化關(guān)系Fig.21 Relationship between Mpitch and attack angle

由上述分析可知，在滑翔狀態(tài)下，為提高滑翔經(jīng)濟(jì)性應(yīng)盡量增加機(jī)翼的翼展，同時(shí)減小機(jī)翼的后掠角，但為提高航行器的穩(wěn)定性，又需要增大機(jī)翼的后掠角來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)，提高滑翔器滑翔經(jīng)濟(jì)性和增加穩(wěn)定性這兩方面是矛盾的，設(shè)計(jì)需要根據(jù)其他性能要求來(lái)選擇。

3 具體模型與樣機(jī)水動(dòng)力性能對(duì)比分析

為進(jìn)一步選取最優(yōu)模型，將模型2和模型3與Spray、Seaglider、Slocum這三種經(jīng)典水下滑翔機(jī)相比較，它們機(jī)體尺寸和重量相差不多，體長(zhǎng)2～3 m左右，重量約為50～70 kg，根據(jù)Spray、Seaglider、Slocum水下滑翔機(jī)的外形設(shè)計(jì)參數(shù)［20-21］，可得到這三種樣機(jī)模型，如圖22～圖24所示。這里通過(guò)CFD模擬仿真，獲得三種經(jīng)典樣機(jī)的水動(dòng)力性能參數(shù)，其數(shù)據(jù)可靠性已經(jīng)在上文中驗(yàn)證。模型2和模型3與這三種樣機(jī)在航速0.5 kn，不同的攻角下進(jìn)行水動(dòng)力性能分析對(duì)比，具體仿真參數(shù)和指標(biāo)見(jiàn)表7。

圖22 模型 I——Spray樣機(jī)Fig.22 The classic type I-Spray Model

圖23 模型II——Seaglider樣機(jī)Fig.23 The classic type II-Seaglider Model

圖24 模型III——Slocum樣機(jī)Fig.24 The classic model III-Slocum Model

表7 模型2和模型3與樣機(jī)主要參數(shù)對(duì)比Tab.7 The comparison of main parameters between the specific models and the classic types

圖25 航速為0.5 kn不同攻角下具體模型和樣機(jī)升阻比曲線對(duì)照Fig.25 The L/D ratio comparison between the specific models and the classic type under different attack angles

通過(guò)表7可知，模型2、模型3和三種主流樣機(jī)相比較，排水量相對(duì)增加明顯，增加了機(jī)體的內(nèi)部空間;最大升阻比提升很大，使水下滑翔器具有更好的經(jīng)濟(jì)性，但是最大俯仰力矩增大，降低了水下滑翔器的穩(wěn)定性。圖25是航速0.5 kn，不同攻角下具體模型和樣機(jī)升阻比曲線對(duì)照?qǐng)D。由圖25中可知，模型2和模型3的升阻比在0°～40°的攻角范圍內(nèi)一直大于樣機(jī)，兩個(gè)模型的水動(dòng)力性能提升非常明顯，均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，模型2和模型3在攻角8°左右時(shí)具有最大的升阻比，故在8°左右攻角時(shí)具有最好的滑翔經(jīng)濟(jì)性。表8是模型2、模型3和樣機(jī)達(dá)到最大升阻比時(shí)的水動(dòng)力參數(shù)對(duì)照表。

表8 模型2和模型3與樣機(jī)最大升阻比時(shí)水動(dòng)力參數(shù)對(duì)照表Tab.8 The hydraulic performance comparison of specific models and the classic model with maximal L/D ratio

為了綜合考慮升阻比和俯仰力矩這兩個(gè)影響水下滑翔器水動(dòng)力性能的因素，本文引用文獻(xiàn)［22］中的加權(quán)公式:

式中:FL(X)、FD(X)和 Mpitch( X )分別是水下滑翔器在攻角8°受到的升力、阻力和最大俯仰力矩，ω1和ω2是加權(quán)系數(shù)。

為了能夠保證持續(xù)高效航行，一般會(huì)讓水下滑翔器的攻角長(zhǎng)時(shí)間保持在最大升阻比時(shí)的角度，這時(shí)水下滑翔器具有最佳滑翔經(jīng)濟(jì)性，因此水下滑翔器在這一角度的穩(wěn)定性也尤為重要。利用加權(quán)公式綜合考慮這兩大因素，獲得的加權(quán)值，如表8所示。其中模型2的加權(quán)值最高，即模型2的綜合水動(dòng)力性能最優(yōu)。以上數(shù)據(jù)分析表明，模型2在保持長(zhǎng)時(shí)間航行時(shí)具有更高的航速以及工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在Slocum等幾種典型水下滑翔器樣機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)主體及其附體機(jī)翼和尾翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到了一種全新的水下滑翔器外形，它的水動(dòng)力性能相比于Spray、Seaglider、Slocum三大主流樣機(jī)有了大幅度的提升。當(dāng)滑翔器在8°左右攻角航行時(shí)，具有最大的升阻比，可以保證其在水下長(zhǎng)時(shí)間高效率航行，并且能滿足工程設(shè)計(jì)和研究的要求。

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