撲翼滑翔UUV流體動力布局設計

潘 光, 馬啟超, 劉冠杉, 曹永輝, 黃橋高

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撲翼滑翔UUV流體動力布局設計

潘 光, 馬啟超, 劉冠杉, 曹永輝, 黃橋高

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

撲翼滑翔無人水下航行器; 流體動力布局; 安裝位置; 翻轉角; 升阻比

0 引言

目前, 無人水下航行器(unmanned under- water vehicle, UUV)的推進裝置大多采用螺旋槳, 但其推進效能的改進已難以取得突破性進展, 而基于升力理論的操縱舵控制方式也不能滿足UUV的高精度姿態控制要求。作為新型推進方式的水下仿生撲翼UUV和水下滑翔機(autonomous underwater glider, AUG)越來越受到人們的重視, 水下仿生撲翼UUV依靠撲翼推進機構為其提供動力, 實現整個UUV在水下的各種運動, 具有推進效率高、機動性及操縱性好等優點, 但航程受到限制[1-3]; 而AUG是一種無外掛推進系統, 依靠內置執行機構調整重心位置和凈浮力來控制其運動的UUV, 其最大特點是航程遠, 但機動性和操縱性較差[4-5]。

撲翼滑翔UUV是將水下仿生撲翼UUV和AUG兩者的優點相結合的一種新型UUV, 具有推進效率高、機動性強、操縱性好和航程遠等優點。其在水中運動時需要撲翼與滑翔兩者相互有機結合, 當在復雜的水下環境時或對速度和機動性要求較高時, UUV采用撲翼方式進行推進, 此時UUV前、后端撲翼做類似海龜的水翼法推進[6]; 當在低速直航時, UUV采用滑翔方式進行推進, 此時UUV前、后端撲翼做滑翔推進, 這樣就可達到高機動性與遠航程相結合的效果。

由于水下運動時, 除了撲翼滑翔UUV外殼提供升力外, 還需要利用撲翼為其提供動力、升力等作用, 所以研究撲翼在UUV上的布局顯得尤為重要。本文采用計算流體力學(computa- tional fluid dynamics, CFD)的方法, 在保持UUV主體外形與前、后端撲翼翼型參數不變的前提下, 通過依次改變前端撲翼的安裝位置和翻轉角大小, 對UUV運動狀態下的流體動力性能進行模擬仿真, 以期達到大升阻比、低阻力的設計目的。

1 流體動力布局設計準則

撲翼滑翔UUV前端撲翼的作用是在撲翼運動時為其提供航行動力, 在滑翔運動時提供升力, 而其后端撲翼的作用是控制UUV的運動方向。因為撲翼運動主要受安裝位置的影響, 而滑翔運動同時還受翻轉角大小的影響, 故在撲翼滑翔UUV流體動力布局設計中主要考慮撲翼的安裝位置和翻轉角設計。

對于安裝位置, 從圖1看出, 海龜的前端撲翼靠近龜體的前端; 而在滑翔時, 為提高滑翔效率, 前端撲翼應安裝在UUV殼體中部附近位置[7]。綜合考慮2種情況, 初步設計前端撲翼對稱安裝在UUV殼體中部位置并靠近前端, 以提供航行所需的動力。UUV后端撲翼在實際運動中的作用類似于舵, 參考海龜的后端撲翼靠近龜體的尾端, 故將后端撲翼對稱安裝于殼體后部的邊緣。對于翻轉角設計, 由于在撲翼運動過程中翻轉角是一直變化的, 故在此不考慮其在撲翼運動過程中的翻轉角, 主要對其在滑翔運動中的翻轉角進行設計, 故翻轉角的設計主要考慮在滑翔運動下的情形[8]。總之, UUV撲翼的設計需要兼顧在水下運動時撲翼產生的升力、阻力兩方面的因素, 即通過流體動力布局設計來實現大升阻比、低阻力的設計目標。

圖1 海龜示意圖

2 流體動力布局數值計算

2.1 幾何模型的建立

撲翼滑翔UUV計算的幾何模型如圖2所示, 圖中坐標原點位于UUV縱軸的中心點。該模型由水平面、豎直面均對稱的扁平形主體和前、后端撲翼構成, 其主體外形長為800 mm, 寬(不包括翼展)為400 mm, 高為250 mm, 前、后端撲翼均選用NACA 0010翼型, 弦長為100 mm, 根梢比為1, 且前端撲翼的展弦比和后掠角分別為5和35°,后端撲翼的展弦比和后掠角分別為3.5和25°。

圖2 撲翼滑翔UUV幾何模型

2.2 計算域及網格劃分

根據第1節中的設計準則, UUV后端撲翼在水下運動時主要起到類似舵的作用, 故不考慮其翻轉角設計, 但其安裝位置主要利用仿生學原理和海龜后端撲翼的位置來進行設計, 將其對稱安裝于殼體后部的邊緣。

依據第1節中的設計準則并考慮到水下滑翔UUV翼的安裝位置來確定前端撲翼的安裝位 置[8], 即確定撲翼的橫向、側向和縱向位置。UUV外殼兩側邊緣的平面作為橫向位置, 側向位置關于UUV外殼水平面對稱, 取距UUV主體外殼最前端縱向長度為整個UUV縱向長度的25%, 30%, 35%和40%的4個位置進行仿真計算, 通過比較確定最優的安裝位置。

國內外水下滑翔UUV的試驗結果表明, 其穩定的滑翔攻角一般約為5°[9], 故將其翻轉角大小設計成與5°成倍數的0′5°, 1′5°和2′5°這3種典型狀態, 也就是將翻轉角設計成與UUV橫截面成0°, 5°和10°這3種典型狀態并對其進行仿真計算, 通過比較確定最優的翻轉角。

利用CFD商業軟件FLUENT計算時, 為了提高計算效率和計算精度, 考慮到主體外形具有對稱性, 采用1/2模型導入計算, 計算導入模型如圖3所示, 計算域的長和寬均取模型長度的10倍, 高取模型長度的8倍。同時, 在網格劃分時, 整個計算域采用四面體網格, 并且在模型的周圍對該網格進行了不同程度的加密, 這樣既能讓網格的生成方法簡單, 又能滿足計算精度的要求, 計算域網格劃分如圖4所示[10]。

圖3 計算導入模型

圖4 計算域網格劃分圖

2.3 求解條件設定

由于設計的撲翼滑翔UUV在正常航速情況下雷諾數都已超過臨界雷諾數, 故采用湍流模型 進行模擬[11]。本文利用雷諾平均Navier-Stokes方程+湍流模型的方法(采用RNG模型), 計算條件設置如下[10-12]。

1) 求解器: 3D顯式非耦合穩態求解器;

2) 湍流方程: 2階RNG方程;

3) 材料: 水, 密度為998.2 kg/m3, 粘性系數為0.001 003 Pa·S;

4) 邊界條件: 入口速度為1 m/s,出口為自由流;

5) 方程離散方法: 壓力修正法采用SIMPLE方法(其中減小欠松弛因子為0.5可提高計算精度), 參數的離散采用2階精度的迎風格式;

6) 收斂標準: 1e-4。

2.4 仿真結果及分析

2.4.1 前端撲翼安裝位置

由于計算模型均為對稱模型并忽略了水下運動時重力的影響, 所以在正、負攻角范圍內, 各模型受到的升、阻力的變化趨勢分別一致。因此, 仿真計算時只需計算各模型在1 m/s的速度時0°, 2°和5°這3種不同攻角下的升、阻力及升阻比, 其中參考面積選擇為UUV總體外形的1/2表面積, 方案1~4分別表示安裝位置為25%, 30%, 35%和40%的4種安裝模型, 計算結果如圖5~7所示。

圖5 4種安裝方案下升阻比隨攻角的變化曲線

圖6 4種安裝方案下阻力隨攻角的變化曲線

圖7 4種安裝方案下升力隨攻角的變化曲線

2.4.2 前端撲翼翻轉角設計

速度為1 m/s時, 各翻轉角設計模型分別以0°,±2°和±5°這5種不同攻角下的升、阻力和升阻比進行仿真計算, 其中參考面積選擇為UUV總體外形的1/2表面積, 計算結果如圖8~10所示。

由圖8~10可以看出, 在速度為1 m/s和攻角為-5°~+5°時, 在升阻比方面, 10°翻轉角模型的升阻比最大, 5°翻轉角模型的升阻比較小, 0°翻轉角模型的升阻比最小, 其中5°攻角時, 10°翻轉角模型的升阻比分別比5°和0°翻轉角模型的升阻比提高了42.98%和80.35%; 在阻、升力方面, 當在攻角一定時, 航行器的阻、升力均隨著翻轉角的增大而增大, 但在3種翻轉角設計下的阻、升力變化曲線稍有差別, 主要是由于隨著翻轉角的增大, 前端撲翼與水流之間的夾角增大, 也相當于前端撲翼的攻角增大, 根據翼型受力理論可知, 其阻、升力均增大[13]。并且10°翻轉角模型的阻、升力均大于另外2種翻轉角模型的阻、升力, 其中在5°攻角時, 10°翻轉角模型的阻力分別比5°和0°翻轉角模型的阻力增加了38.79%和76.19%, 但是在5°攻角時, 10°翻轉角模型的升力分別比5°和0°翻轉角模型的升力提高了100.45%和217.76%。盡管10°翻轉角模型的阻力較大, 但是10°翻轉角模型的升阻比和升力均明顯大于另外2種翻轉角模型的升阻比和升力。依據設計準則并兼顧提供的升力, 最終選取前端撲翼翻轉角大小為10°的設計模型。

圖8 3種翻轉角設計下升阻比隨攻角的變化曲線

圖9 3種翻轉角設計下阻力隨攻角的變化曲線

圖10 3種翻轉角設計下升力隨攻角的變化曲線

3 結束語

通過分析撲翼運動和滑翔運動的優缺點, 提出了一種新型撲翼滑翔UUV, 達到了推進效率高、機動性強、操縱性好和航程遠等效果。利用CFD方法對UUV前端撲翼的4種安裝方案和3種翻轉角設計分別進行了數值仿真研究。仿真結果表明, 當前端撲翼選用安裝位置取距UUV主體外殼最前端縱向長度為整個縱向長度的30%和翻轉角大小為10°時, 撲翼滑翔UUV具有較優的大升阻比、低阻力的流體動力性能。本文所得到結果對進一步研究撲翼滑翔UUV提供了理論參考。

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Hydrodynamic Layout and Design of Flapping-Wing and Glide UUV

PAN Guang, MA Qi-chao, LIU Guan-shan, CAO Yong-hui, HUANG Qiao-gao

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

A new-style of flapping-wing and glide unmanned underwater vehicle (UUV) combining the advantages of an underwater biomimetic flapping-wing UUV and an autonomous underwater glider (AUG) was proposed. Through analying the movement of sea turtles and the purposes of the vehicle's front and end flapping-wings, the hydrodynamic layout and design criteria with a large lift-drag ratio and low-drag were obtained. Numerical simulation was conducted to four kinds of installation location and three kinds of flip angle design of the front flapping-wing using computational fluid dynamics (CFD). Simulation results show that the flapping-wing and glide UUV has the better hydrodynamic capability of large lift-drag ratio and low-drag when the front flapping-wing is chosen at the position where the longitudinal distance between installation location and the forefront of main hull UUV is 30% of the entire longitudinal length and the flip angle is 10°. Besides, the relationship among the flapping-wing's different installation location, the flip angle and the lift, drag and lift-drag ratio of UUV are achieved.

flapping-wing and glide unmanned underwater vehicle; hydrodynamic layout; installation location; flip angle; lift-drag ratio

TJ630.2; TP24

A

1673-1948(2011)02-0081-05

2010-07-08;

2011-01-05.

教育部新世紀優秀人才支持計劃項目資助(NCET-09-0074)；西北工業大學科技創新重點基金項目資助(2008KJ01001).

潘光(1969-), 男, 教授, 博導, 主要研究方向為水下航行器總體技術及操縱性、多學科設計優化技術等.

(責任編輯: 陳 曦)