水下滑翔機(jī)機(jī)翼不同位置攻角狀態(tài)下水動力性能研究

徐 俊，徐喜平，孟慶杰

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430064；2.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海200125)

0 引 言

隨著海洋技術(shù)迅速發(fā)展以及水下作業(yè)需求的增加，人類水下作業(yè)裝備多種多樣，包括無人無纜的，載人潛器等。其中水下滑翔機(jī)屬于無人無纜深潛器，該概念最早在1989年由Stommel[1]提出，其在水中作業(yè)處于滑翔狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)重心位置，重力、浮力來調(diào)節(jié)姿態(tài)，從而完成滑翔運(yùn)動，滑翔覆蓋廣泛的海域面積，在滑翔的同時可以完成對區(qū)域水文信息采集、海底地貌探測、礦物勘探、軍事偵察等工作，同時水下滑翔機(jī)滑翔所消耗的能量極少，續(xù)航力在上千千米，且水下滑翔機(jī)制造成本低，可重復(fù)使用，因此可以大量投放，對大面積海域進(jìn)行作業(yè)。因此水下滑翔機(jī)在海洋探索、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。Rudnick[2]給出了典型的水下滑翔機(jī)型號及其應(yīng)用場景。

針對水下滑翔機(jī)水動力性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。Henry Stommel[1]率先提出了水下滑翔機(jī)的概念，其通過調(diào)整壓載水艙水位，實(shí)現(xiàn)重量，重心位置的調(diào)節(jié)，利用重力、浮力實(shí)現(xiàn)不斷的滑翔運(yùn)動，完成水下作業(yè)。在此構(gòu)想的基礎(chǔ)上美國設(shè)計生產(chǎn)了最初的水下滑翔機(jī)。中國對水下滑翔機(jī)概念的研究較晚，最早是中國科學(xué)院沈陽自動化所研究開始水下滑翔機(jī)的設(shè)計研究工作[3]。關(guān)于水下滑翔機(jī)的水動力性能，國內(nèi)外學(xué)者都做了多個方面的研究，包括滑翔機(jī)體的外形（主要有水滴形，低阻層流形）[4]，水翼剖面類型（多為NACA翼型），水翼位置布置等。Chen[5]使用CFD方法對3種外形的水下滑翔機(jī)在滑翔狀態(tài)的阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并給出了不同滑翔角度狀態(tài)下的滑翔能量轉(zhuǎn)換效率，為水下滑翔機(jī)工作狀態(tài)的選擇提供了理論支持；Liu[6]用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法對水下滑翔機(jī)水動力性能進(jìn)行了研究，其同樣對滑翔機(jī)不同攻角和不同滑行角度狀態(tài)的阻力，縱傾、橫傾、轉(zhuǎn)首、力矩的變化進(jìn)行了分析，同時數(shù)值計算結(jié)果也與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證；Li[7]對裝配仿生形水翼的水下滑翔機(jī)水動力性能進(jìn)行了分析，其使用CFD方法模擬了4種異型的推進(jìn)效率，討論了不同機(jī)翼形式對水下滑翔機(jī)巡航效率的影響；Fan[8]使用參數(shù)化表達(dá)水下滑翔機(jī)幾何外形，并通過理論分析了滑翔機(jī)外形和其水動力性能、穩(wěn)定性的關(guān)系，并給出了機(jī)翼外形位置和對應(yīng)的最大升力阻力比；Jagadeesh[9]同樣使用模型試驗(yàn)和數(shù)值計算2種方法對某型水下滑翔的水動力性能進(jìn)行了研究，對不同航速不同滑翔姿態(tài)角度做了一系列的研究，用以指導(dǎo)水下滑翔機(jī)的工作導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。

本文針對某型水下滑翔機(jī)，研究其機(jī)翼不同位置，不同攻角情況下的升力、阻力變化情況，本文使用OpenFOAM開源CFD庫對不同的機(jī)翼布置狀態(tài)下的水動力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，給出升力、阻力特性的同時還能給出詳細(xì)的速度、壓力、渦量場信息，這樣有助于深入理解水下滑翔機(jī)水動力性能，更好設(shè)計、優(yōu)化水下滑翔機(jī)的幾何外形，機(jī)翼位置、攻角，附體設(shè)置等參數(shù)。

1 數(shù)值方法

數(shù)值計算基于開源CFD庫OpenFOAM，Open-FOAM在船舶海洋水動力學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其計算結(jié)果可靠。OpenFOAM基于有限體積法（FVM）開發(fā)，本文計算水下滑翔機(jī)水動力學(xué)特性，故求解單相非定常不可壓縮粘性流體，求解器使用pimple-Foam，求解不可壓縮RANS方程為：

速度壓力解耦采用PIMPLE算法。該算法是SIMPLE算法和PISO算法的組合，即每個PISO迭代之外又進(jìn)行了若干次SIMPLE迭代，兼具了2種算法的優(yōu)點(diǎn)，且通過參數(shù)設(shè)置可以退化為SIMPLE算法或者PISO算法。PISO算法可以更好捕捉瞬態(tài)問題的瞬時特性，SIMPLE算法收斂更快。本文計算工況為定常來流工況，類似穩(wěn)態(tài)問題，但是考慮到湍流特性，還是使用PIMPLE算法。本文計算時間項(xiàng)離散使用2階退步格式，對流項(xiàng)離散使用2階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)離散使用中心差分格式。計算中使用變時間步長保證Courant數(shù)小于1。

2 算例設(shè)置

本文計算水下滑翔機(jī)主尺度艇長L為5.75m，機(jī)翼弦長15cm，計算航速為6kn，模型參考如圖1所示。機(jī)翼3種布置位置見圖1，其中每個位置考慮4種機(jī)翼的初始安裝攻角0°，3°，6°，9°。計算機(jī)翼在不同位置，不同角度狀態(tài)下，水下滑翔機(jī)的水動力性能。

圖1 水下滑翔機(jī)模型及機(jī)翼位置圖Fig.1 Schematic of the underwater glider model and wing location

算例計算域大小如圖2所示。其中入口邊界距離滑翔機(jī)部1L，出口邊界距離滑翔機(jī)尾部2L，滑翔機(jī)距離上下左右遠(yuǎn)場邊界0.5L。其中入口邊界條件為定常來流，出口邊界為壓力定值，速度零梯度，遠(yuǎn)場邊界速度壓力均取零梯度邊界條件。艇體和機(jī)翼物面為不可滑移物面邊界條件。

圖2 計算域與邊界示意圖Fig.2 Schematic of the computational domain and boundary

計算網(wǎng)格是使用blockMesh和snappyHexMesh工具生成的任意多面體網(wǎng)格，該類型網(wǎng)格適用于Open-FOAM使用的有限體積數(shù)值方法，首先使用blockMesh工具生成正六面體背景網(wǎng)格，覆蓋整個計算域。隨后使用snappyHexMesh工具從背景網(wǎng)格中挖去滑翔機(jī)艇體所在區(qū)域網(wǎng)格，并進(jìn)行滑翔機(jī)艇體周圍流場區(qū)域的局部加密，并在艇體邊界生成邊界層網(wǎng)格。本文使用計算網(wǎng)格數(shù)量185萬，邊界層網(wǎng)格尺寸保證計算工況y+值在30～60之間。計算網(wǎng)格示意圖，首部網(wǎng)格加密，邊界層如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computational mesh

3 計算結(jié)果

首先從水動力的角度分析，表1列出了機(jī)翼在3種不同位置、不同攻角工況下，滑翔機(jī)整體受到的阻力和升力變化情況?？梢钥闯?，無論機(jī)翼的位置如何，隨著機(jī)翼攻角的增大，滑翔機(jī)所受到的升力、阻力均增大，這也符合對機(jī)翼的認(rèn)識。

表1 滑翔機(jī)不同工況所受阻力升力Tab.1 Resistance and lift of glider under different working conditions

圖4為機(jī)翼不同位置滑翔機(jī)阻力和升力隨攻角變化而變化的曲線?？梢钥闯觯S著攻角增大，阻力非線性增長，增速快，升力基本線性變化。

圖4 滑翔機(jī)機(jī)翼不同位置攻角狀態(tài)下阻力、升力變化Fig.4 Resistance and lift performance at the different underwater glider wing positions

對比機(jī)翼所處不同位置時滑翔機(jī)受到阻力、升力的變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)翼位置從首部向尾部移動，滑翔機(jī)受到的阻力和升力均增大，但是增加的幅值不顯著，可以將滑翔機(jī)機(jī)體和機(jī)翼2個系統(tǒng)分開考慮。由于機(jī)翼位置變化，其所處滑翔機(jī)繞流場的位置不同，受到的水動力也會相應(yīng)變化，即在不同的背景流場中，機(jī)翼的阻力、升力特性會發(fā)生變化。這也可以看作是滑翔機(jī)艇體對機(jī)翼的影響。另一方面，由于機(jī)翼位置發(fā)生變化，也會使流場發(fā)生變化進(jìn)而影響滑翔機(jī)艇體受到的水動力，這可以看作是機(jī)翼對滑翔機(jī)艇體的影響。本文研究的滑翔機(jī)及其機(jī)翼，機(jī)翼相對常規(guī)水下滑翔機(jī)其弦長較小，因此對流場擾動及對滑翔機(jī)艇體的影響可以忽略不計。這也是機(jī)翼不同布置位置，水下滑翔機(jī)整體受到阻力、升力變化不大的原因。而機(jī)翼位置改變，由于處在滑翔機(jī)艇體繞流場的不同位置，因此其阻力、升力會發(fā)生一定變化。這也是隨著機(jī)翼從滑翔機(jī)艏部移動向滑翔機(jī)尾部阻力、升力略有增大的原因。

由于本文所計算所有工況流場相似，所以只給出了機(jī)翼9°攻角，尾部布置情況時的滑翔機(jī)表面壓力和邊界層流場信息，如圖5所示。可以看出，滑翔機(jī)艇體部為鈍體，因此在部形成駐點(diǎn)，壓力峰值。圖中，橫切面為流場中縱向速度小于99%來流速度的部分，即邊界層部分?？梢钥闯隽鲌鲆恢钡交铏C(jī)尾部均未發(fā)生邊界層分離，在滑翔機(jī)尾部形成較大區(qū)域的死水區(qū)，在后續(xù)推進(jìn)器及控制模塊的設(shè)計中也要考慮到死水區(qū)存在對其效率產(chǎn)生的影響，適當(dāng)?shù)奈膊啃途€優(yōu)化可以改進(jìn)這一問題。

圖5 速度-壓力分布圖Fig.5 The1map of the velocity-pressure distribution

4 結(jié) 語

通過對某型水下滑翔機(jī)機(jī)翼在不同位置、不同攻角狀態(tài)下的水動力性能計算，發(fā)現(xiàn)由于該型水下滑翔機(jī)機(jī)翼弦長相對較小，因此其位置改變對整個水下滑翔機(jī)系統(tǒng)水動力性能影響不大。隨著其位置從首部到尾部移動，滑翔機(jī)阻力、升力略有增加，增幅不大。因此在后期設(shè)計過程中，機(jī)翼位置的選取主要考慮設(shè)備布置、安全等因素，可以忽略其對滑翔機(jī)水動力性能的影響。另外通過對滑翔機(jī)流場信息的分析，發(fā)現(xiàn)在滑翔機(jī)尾部會存在較大范圍的死水區(qū)，在后續(xù)附體設(shè)置的過程中要考慮此因素，或者通過型線優(yōu)化手段，避免該死水區(qū)的出現(xiàn)。