“海鱘4000”水下滑翔機水動力特性與滑翔性能研究

劉來連, 閔強利, 張光明

“海鱘4000”水下滑翔機水動力特性與滑翔性能研究

劉來連, 閔強利, 張光明

(中國船舶重工集團公司 第710研究所, 湖北 宜昌, 443003)

與一般水下滑翔機相比, 4 000 m水下滑翔機使用深度更深, 體型相對更大。為了克服海水密度變化的影響, 其浮力調節系統的體積調節量也更大。準確的動力學模型以及精確的水動力系數是實現其控制系統設計以及精確導航的基礎。文中將在結構參數已定, 動力學模型已知的前提下獲得精確的水動力系數, 對水下滑翔機性能進行預測, 并為控制系統提供控制變量和優化方向作為研究的重點。以“海鱘4 000”水下滑翔機為研究對象, 采用理論計算、計算流體動力學(CFD)仿真與試驗數據分析相結合的方法, 分析了水平翼參數對其滑翔性能的影響; 獲得了其在縱平面內做定常運動的水動力系數, 并對其性能進行預測; 通過試驗數據分析, 獲得典型滑翔狀態下不同凈浮力對應的滑翔速度, 并與理論計算進行對比分析, 驗證理論計算的正確性。研究結果表明: 試驗實際俯仰角控制與理論計算誤差在5%以內; 試驗實際凈浮力下的滑翔速度與理論計算誤差在15%以內, 滿足控制系統相應控制量20%的誤差需求。文中研究可為水下滑翔機控制系統的進一步優化和完善提供參考。

水下滑翔機; 滑翔性能; 水動力性能; 滑翔速度

0 引言

海洋是一座天然寶藏, 它既是人類實現可持續發展的重要物質來源, 又具有舉足輕重的軍事戰略意義。在海洋開發的熱潮及現代化戰爭呈現“信息化局部戰爭”態勢下, 無人水下航行器(un- manned undersea vehicle, UUV)越來越被各國海軍所重視。水下滑翔機就是近年來誕生的一種令人耳目一新的UUV, 其獨特的設計顯示出了極大的優勢。它不需要任何燃料作為動力, 通過浮力調節裝置實現自身浮力改變, 在凈浮力、阻力及升力的作用下, 實現鋸齒形滑翔觀測運動。自1989年Stommel[1]提出水下滑翔機的概念之后, 水下滑翔機發展迅速, 較著名的有美國Webb研究所的slocum水下滑翔機[2]、華盛頓大學的Sea- glider水下滑翔機[3]和Scripps海洋研究所的spray水下滑翔機[4]?？傮w來說, 這些水下滑翔機的機體尺寸和質量相差不多(體長約2 m, 重約50 kg), 機身形狀均為細長回轉體, 這種設計尺寸小、阻力低, 同時保證了一定的裝載量和續航力。

上述機構還對水下滑翔機運動及控制特性進行了研究, 并對其運動路徑進行數值仿真, 驗證了其運動及控制規律。然而這種僅僅依靠電池驅動的水下滑翔機需要獲得長航程和高續航力, 除了需要配備高能電池外, 最重要的是要提高滑翔效率, 而升力和阻力是決定效率的關鍵因素。我國在水下滑翔機理論和技術方面, 天津大學、中國科學院沈陽自動化研究所、中船重工第710研究所、華中科技大學、浙江大學、中船重工第702研究所、中國海洋大學以及國家海洋技術中心等單位都相繼開展了研究工作。其中: 天津大學研制的“海燕”混合驅動水下滑翔機綜合了典型的水下滑翔機和傳統自主水下航行器(autonomous un- derwater vehicle, AUV)的特點[5]; 中國科學院沈陽自動化研究所開展了“海翼”水下滑翔機研制, 用于深水海洋環境監測[6]; 浙江大學在水下滑翔機的運動穩定性和控制方面開展研究, 并開發了試驗樣機[7]。

文中以第710研究所“問海計劃”項目中“海鱘4 000 ”水下滑翔機為研究對象, 采用理論計算、計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)仿真與試驗數據分析相結合的方法, 分析了水平翼參數對水下滑翔機滑翔性能的影響; 獲得了其在縱平面內做定常運動的水動力系數, 并對水下滑翔機的性能進行預測; 通過試驗數據分析, 獲得典型滑翔狀態下不同凈浮力對應的滑翔速度, 并與理論計算進行對比分析, 驗證了理論計算的正確性。

1 結構設計與水動力參數確定

1.1 “海鱘4000”水下滑翔機結構

“海鱘4000”水下滑翔機主要由滑翔機殼體、浮力調節裝置、姿態調節裝置及通信天線等組成,如圖1所示?？v剖面的主要運動方式為滑翔運動, 與傳統滑翔機的滑翔運動類似, 通過浮力調節裝置和質心調節裝置實現縱剖面鋸齒形滑翔運動。

圖1 “海鱘4000”水下滑翔機結構示意圖

1.2 動力學模型

水下滑翔機的運動形式主要是在縱平面的“之”字形運動。因此, 首先需要建立其在縱平面內的動力學模型。

1) 坐標系建立

圖2 “海鱘4000”水下滑翔機坐標系

2) 水動力模型

水下滑翔機在水下運動時, 會受到水動力的作用, 而水動力的大小直接決定著滑翔機的運動結果。水下滑翔機在縱平面運動時, 所受到的水動力主要有升力, 阻力和縱傾力矩。文獻[9]研究表明, 小攻角情況下,和與攻角之間近似為線性關系、與攻角之間近似為二次函數關系, 并可表示為

1.3 水平翼參數特性分析

水下滑翔機的阻力主要由主體的濕表面積和外形決定, 升力由水平翼提供, 水平翼升阻比的計算公式為

由圖3可知, 展弦比一定的情況下, 水平翼升阻比隨攻角先急劇增加后逐漸減小, 且存在1個最大值; 隨著后掠角增大, 最大升阻比保持不變, 其對應的攻角有所增大; 最大升阻比對應的攻角一般在6°~10°之間。

圖3 水平翼升阻比隨后掠角、攻角變化關系曲線

由圖4可知, 后掠角一定, 水平翼升阻比隨攻角先增后減, 同樣存在1個最大值; 隨著展弦比增大, 最大升阻比增大, 其對應的攻角有所增大; 最大升阻比對應的攻角一般在6°~10°之間。

圖4 水平翼升阻比隨展弦比、攻角變化關系曲線

由于滑翔機正?；锠顟B下所對應的攻角為小攻角, 當攻角一定時(取小攻角), 升阻比隨后掠角、展弦比的關系如圖5所示。升阻比隨后掠角的增加逐漸減小; 隨著展弦比的增加, 升阻比增加, 但隨著后掠角的增加, 減小的趨勢更快?；究梢哉J為, 在小攻角情況下, 后掠角越小, 相應升阻比越大。

圖5 水平翼升阻比隨展弦比、后掠角變化關系曲線

根據上述計算分析, 可為“海鱘4000”水下滑翔機確定合適的展弦比和后掠角。

1.4 水動力參數確定

常用的水動力系數獲取方法包括理論計算、試驗和CFD方法。理論計算方法主要采用經驗公式進行計算, 僅對于細長體外形及運動過程較為簡單的模型有效[11]。試驗方法主要包括風洞試驗和拖曳試驗等, 是目前比較常用且有效的手段, 但是試驗成本高, 且耗時較長。CFD方法以計算機為硬件基礎, 通過各類數學方法, 能夠解決各種流體力學難題。

文中針對“海鱘4000”水下滑翔機, 采用CFD方法, 計算出了其水動力參數。計算狀態見表1。

表1 水動力參數計算狀態表

計算域為長度10、直徑3.5的包圍滑翔機的圓柱體(為滑翔機長度), 如圖6所示。其旋轉軸與滑翔機模型的對稱軸重合, 進流邊界面(入口)為圓柱體的前端面, 距模型首端的距離為4, 出流邊界面(出口)為圓柱體的后端面, 距模型尾端的距離為5。整個計算域采用非結構化網格, 網格總數為120萬, 網格質量0.3以上, 以保證求解精度。圖7給出了計算結果示意圖。

圖6 計算域示意圖

圖7 水下滑翔機表面壓力云圖

圖8 不同速度和攻角下的阻力曲線

2 滑翔性能分析

根據以上水動力模型, 對“海鱘4000”水下滑翔機的滑翔運動進行受力分析, 得到以下平衡方程

圖10 不同速度和攻角下的俯仰力矩曲線

聯合式(1)、式(2)和式(13)可得

為使式(14)有解, 需滿足

根據式(2)、式(10)和式(17), 可得速度與滑翔角的關系

圖11給出了“海鱘4000”水下滑翔機在有效滑翔角范圍內攻角與滑翔角的關系曲線。由圖可知, 該滑翔機攻角范圍為(0°~ 4.9°)＆(–4.4°~ 0°); 俯仰角范圍為(12.6° ~ 90°)＆(–11.1° ~ –90°)。

圖11 攻角與滑翔角關系曲線

圖12給出了“海鱘4000”水下滑翔機在不同凈浮力下水平速度與滑翔角的關系。從圖中可以看出, 水平速度隨著滑翔角的增加先增后減。在確定的凈浮力下, 在有效滑翔角內存在1個最大水平速度, 該速度所對應的滑翔角約為36o, 對應的攻角為–1.45o, 俯仰角為34.55o。

圖12 水平速度與滑翔角、凈浮力的關系曲線

圖13~圖16給出了“海鱘4000”水下滑翔機在典型滑翔角下, 滑翔速度、水平速度、垂直速度與凈浮力的關系曲線。

圖13 滑翔角為18o時速度與凈浮力關系曲線

圖14 滑翔角為27o時速度與凈浮力關系曲線

圖15 滑翔角為36°時速度與凈浮力關系曲線

由圖可知, 凈浮力增加可以同時增加滑翔的水平速度和垂直速度, 滑翔角超過36°以后, 水平速度將低于垂直速度。該計算結果即可與試驗數據進行對比, 驗證上述計算過程的正確性。

3 試驗驗證

2019年初對“海鱘4000”水下滑翔機進行了湖上試驗(見圖17), 獲得了不同姿態下穩定滑翔的俯仰角度和滑翔速度數據。俯仰角度通過集成在滑翔機機體上的磁羅盤測量獲得,滑翔速度通過機體上安裝的壓力傳感器測量深度間接獲得, 文中選取了2組典型滑翔角下有效試驗數據曲線, 分別如圖18~圖20、圖21~圖23所示。需要說明的是, “海鱘4000”水下滑翔機控制程序中滑翔角是設定變量, 通過如圖11所示的攻角與滑翔角的關系, 計算出對應的俯仰角, 從而對俯仰角進行控制。典型有效試驗數據曲線如圖18~圖23所示。

圖16 滑翔角為52°時速度與凈浮力關系曲線

圖17 “海鱘4000”水下滑翔機湖上試驗

圖18 滑翔角為18°時深度變化曲線

圖19 滑翔角為18°時體積(凈浮力)變化曲線

圖20 滑翔角為18°時俯仰角變化曲線

表2 滑翔角18°時滑翔數據表

從試驗實測數據與分析計算的數據對比來看, 試驗數據與分析計算數據基本吻合, 誤差均在15%以內。存在誤差的原因有: 1) 仿真計算模型過于理想, 與實際樣機存在差異, 造成計算的水動力系數存在誤差; 2) 實際樣機浮力調節系統浮力調節量、俯仰角控制精度存在誤差, 控制精度誤差均為20%。因此, 從結果上看, 理論計算分析完全可以滿足工程設計的需要, 并對工程設計具有很好的指導意義。

圖21 滑翔角為27°時深度變化曲線

圖23 滑翔角27°時俯仰角變化曲線

表3 滑翔角為27°時滑翔數據表

4 結束語

文中以“海鱘4 000 ”水下滑翔機為研究對象, 詳細分析研究了其水動力特性和滑翔性能, 可得如下結論。

1) 參考相關文獻對水平翼參數特性進行了分析研究, 獲得了展弦比、后掠角、攻角與水平翼升阻比的關系, 最大升阻比對應的攻角一般為6°~10°, 可為工程設計提供參考。

2) 采用CFD方法計算出“海鱘4 000 ”水下滑翔機各個水動力參數, 并以此為基礎, 詳細分析研究了其滑翔性能, 獲得其攻角范圍為(0°~4.9°)＆(–4.4°~0°), 俯仰角范圍為(12.6°~90°)＆(–11.1° ~ –90°), 其最佳抗流能力對應的滑翔角為36°。最后詳細計算了其在不同典型滑翔角下, 滑翔速度、水平速度、垂直速度與凈浮力的關系曲線, 對其滑翔控制具有很好的指導意義。

3) 對試驗實測數據進行了分析研究, 獲得了“海鱘4 000 ”水下滑翔機典型狀態下的滑翔速度和俯仰角度數據, 并與分析計算數據進行了對比, 試驗數據與分析計算數據基本吻合, 誤差均在15%以內, 驗證了分析計算過程的正確性, 滿足控制系統相應控制量20%的誤差需求, 并對控制系統的進一步優化和完善提供了依據。

文中的工作可對水下滑翔機的設計提供參考, 但其理論計算并未考慮海水密度變化及滑翔機受海水壓力產生體積壓縮量的影響, 也并未建立滑翔機改變航向的理論模型, 下一步將對此進行深入研究。

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Research on Hydrodynamic Characteristics and Gliding Performance of Underwater Glider “HaiXun 4000”

LIU Lai-lian, MIN Qiang-li, ZHAN Guang-ming

(The 710 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Yichang 443003, China)

Compared with common underwater glider, the 4 000-meter underwater glider needs larger volume adjustment of its buoyancy control system in order to overcome the influence of seawater density change. Accurate dynamic model and hydrodynamic coefficient are the basis for realizing its control system design and accurate navigation. On the premise that its structural parameters are determined and the dynamic model is known, this paper aims to obtain accurate hydrodynamic coefficient and predict its performance, so as to provide control variables and optimization directions for the control system. Taking the 4 000-meter underwater glider “HaiXun 4000” as the research object, theoretical calculation, CFD simulation and experimental data analysis are combined to analyze the influence of the horizontal wing parameters on the gliding performance of the underwater glider, hence the hydrodynamic coefficient of constant motion in longitudinal plane is obtained, and the performance of the glider is predicted. Through the analysis of test data, the gliding speeds corresponding to different net buoyancy under typical gliding conditions are obtained and compared with the theoretical calculation to verify the correctness of the theoretical calculation. The results show that the error between actual pitch angle control and theoretical calculation is less than 5%, and the error between gliding speed and theoretical calculation under the actual net buoyancy of the test is within 15%, meeting the error requirements of 20% of the corresponding control amount for the control system. This research may provide a reference for further optimization and improvement of the control system.

underwater glider; gliding performance; hydrodynamic characteristic; gliding speed

TJ630; U674.941; O352

A

2096-3920(2019)05-0488-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.003

劉來連, 閔強利, 張光明. “海鱘4000”水下滑翔機水動力特性與滑翔性能研究[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5): 488-495.

2019-07-09;

2019-08-20.

青島海洋科學與技術國家實驗室“問海計劃”項目資助(2017WHZZB0101).

劉來連(1978-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為水下機器人控制技術.

(責任編輯: 楊力軍)