混合驅(qū)動(dòng)無(wú)人水下滑翔機(jī)耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)

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(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

海洋已經(jīng)成為世界各國(guó)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(shì)，合理開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)海洋是我國(guó)21世紀(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需要[1-2]。先進(jìn)的海洋觀測(cè)技術(shù)、智能化的探測(cè)設(shè)備是海洋環(huán)境探測(cè)及資源開(kāi)發(fā)利用的前提，無(wú)人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)[3]將人工智能、探測(cè)識(shí)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(kāi)展各種探測(cè)任務(wù)，具有觀測(cè)范圍大、效率高、成本低、機(jī)動(dòng)性能好、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋資源開(kāi)發(fā)和觀測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

近年來(lái)，隨著對(duì)深遠(yuǎn)海中長(zhǎng)時(shí)序、大范圍、三維連續(xù)海洋環(huán)境探測(cè)及監(jiān)測(cè)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(wú)法滿足需求。為適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)序、大尺度的海洋探測(cè)需求，混合驅(qū)動(dòng)無(wú)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(dòng)且定位精度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(guó)Webb公司研發(fā)的HUG[6]問(wèn)世，與美國(guó)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(kù)姆無(wú)人水下滑翔機(jī)(簡(jiǎn)稱Slocum)相比，該款HUG僅在Slocum的原有尾部構(gòu)型上增加1個(gè)螺旋槳推進(jìn)器。此后，日本國(guó)立海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和九州大學(xué)發(fā)明一款新型UUV，該UUV可實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)[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(guó)內(nèi)的起步相對(duì)較晚：2007年，天津大學(xué)開(kāi)始HUG的研發(fā)工作，經(jīng)過(guò)2年多的努力，海燕1號(hào)問(wèn)世[8]；2014年，為使海燕1號(hào)滿足更多的工程需要，天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[9]進(jìn)行升級(jí)改造，推出海燕2號(hào)；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(jì)在首部位置，為實(shí)現(xiàn)滑翔與推進(jìn)混合驅(qū)動(dòng)，在其尾部配備推進(jìn)器和電動(dòng)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(shí)，運(yùn)動(dòng)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(gè)推進(jìn)器，通過(guò)對(duì)2個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行差速控制，實(shí)現(xiàn)更多的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)控制。

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

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

1 計(jì)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(gè)螺旋槳兩部分耦合而來(lái)，HUG產(chǎn)生的耦合運(yùn)動(dòng)是在合力及力矩的共同作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，其中重浮力差、水動(dòng)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(gè)模塊間的耦合運(yùn)動(dòng)分析顯得尤為重要。建立航行器的固定坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)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(dòng)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?yàn)閄軸的正向；EZ向右側(cè)為正；EY垂直向下為正。

運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系B-xyz的原點(diǎn)B為HUG的浮心。隨著HUG的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系也隨之一起運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)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?yàn)橄蛴蚁戏较?；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(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。坐標(biāo)軸與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系相似，只是Bxr指向HUG的速度方向。

1.2 計(jì)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(duì)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(jì)算模型中采用滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)將螺旋槳計(jì)算域劃分為定域與動(dòng)域，采用八叉樹(shù)算法生成計(jì)算域網(wǎng)格系統(tǒng)。

圖3為長(zhǎng)方體計(jì)算域和航行器表面的網(wǎng)格劃分，航行器在長(zhǎng)方體域中。航行器特征長(zhǎng)度為L(zhǎng)，長(zhǎng)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(jì)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(dòng)力計(jì)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(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)約300萬(wàn)個(gè)，其中每個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)域約50萬(wàn)個(gè)。

1.3 計(jì)算工況及數(shù)值計(jì)算方法

1.3.1 計(jì)算工況

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

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(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)，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(shí)間，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，計(jì)算步數(shù)為5×104步，所需計(jì)算時(shí)間為50 s。計(jì)算工況如表3所示。

表3 HUG直航運(yùn)動(dòng)計(jì)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(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)。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(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，計(jì)算步數(shù)為4×105步。計(jì)算工況如表4所示。

表4 HUG繞圓運(yùn)動(dòng)計(jì)算工況

對(duì)于HUG在水中的上浮與下潛運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)，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(jì)算穩(wěn)定時(shí)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(shí)間步長(zhǎng)為0.002，計(jì)算步數(shù)為105步。計(jì)算工況如表5所示。

表5 HUG上浮、下潛運(yùn)動(dòng)計(jì)算工況

1.3.2 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)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(dòng)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(jì)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(chǎng)。在不同運(yùn)動(dòng)模式下，HUG在空間六自由度運(yùn)動(dòng)方程求解過(guò)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(gè)計(jì)算域采用隨體動(dòng)網(wǎng)格，采用鉸接方式連接螺旋槳與航行器本體。

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

② 對(duì)于HUG在水平面內(nèi)的繞圓運(yùn)動(dòng)，釋放縱蕩、橫蕩和艏搖等3個(gè)自由度。

(2) 在滑翔模式下，將螺旋槳與航行器本體固結(jié)，對(duì)于HUG的下潛和上浮運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)，釋放縱蕩、垂蕩和縱搖等3個(gè)自由度。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 直航運(yùn)動(dòng)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(shí)歷曲線和HUG阻力時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)歷曲線

圖6 螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下HUG阻力時(shí)歷曲線

2.2 繞圓運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

圖7為HUG繞圓運(yùn)動(dòng)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(dòng)，繞圓運(yùn)動(dòng)的直徑隨著差速增大而減??；在研究工況下最大圓周運(yùn)動(dòng)直徑為20.50L，最小圓周運(yùn)動(dòng)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(dòng)性能，可通過(guò)調(diào)整差速達(dá)到預(yù)期的圓周運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 HUG繞圓運(yùn)動(dòng)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(dòng)速度，繞圓運(yùn)動(dòng)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(dòng)響應(yīng)分析

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

圖9 HUG上浮時(shí)x和z方向速度時(shí)歷曲線

圖10 HUG上浮時(shí)縱傾角時(shí)歷曲線

圖11 HUG下潛時(shí)x和z方向速度時(shí)歷曲線

圖12 HUG下潛時(shí)縱傾角時(shí)歷曲線

(1) 當(dāng)HUG上浮時(shí)，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(shí)，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(gè)推進(jìn)器引起航行器上下表面不對(duì)稱，在航行過(guò)程中不同迎流攻角產(chǎn)生的水動(dòng)力阻力不同，在下潛時(shí)推進(jìn)器處于迎流面，產(chǎn)生阻力明顯大于上浮時(shí)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(shí)，縱傾角β=14.3°，下潛滑翔角為17.4°。與海燕2號(hào)的下潛滑翔角(27°)相比，該HUG滑翔角更小，在下潛深度相同時(shí)，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(shí)現(xiàn)水下航行器的長(zhǎng)航程方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

與由回轉(zhuǎn)體和水翼組成的混合驅(qū)動(dòng)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(duì)兩個(gè)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制可實(shí)現(xiàn)HUG航行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)控制。

基于黏性流體理論，采用滑移和隨體動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，耦合求解運(yùn)動(dòng)方程，開(kāi)展HUG在推進(jìn)和滑翔模式下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)，對(duì)航行器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)航速1.5 kn時(shí)，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(dòng)，繞圓運(yùn)動(dòng)直徑隨著差速增大而減小，在計(jì)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(gè)推進(jìn)器，引起航行器上下表面不對(duì)稱，因此在下潛時(shí)推進(jìn)器處于迎流面，產(chǎn)生阻力明顯大于上浮時(shí)處于背流面狀態(tài)，HUG上浮時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)水下航行器的長(zhǎng)航程具有一定優(yōu)勢(shì)。