撲翼滑翔UUV流體動力布局設(shè)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(shè)計

潘 光, 馬啟超, 劉冠杉, 曹永輝, 黃橋高

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)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(zhuǎn)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(tài)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(gòu)為其提供動力, 實現(xiàn)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(yōu)點, 但航程受到限制[1-3]; 而AUG是一種無外掛推進系統(tǒng), 依靠內(nèi)置執(zhí)行機構(gòu)調(diào)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(yuǎn), 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(yōu)點相結(jié)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(yuǎn)等優(yōu)點。其在水中運動時需要撲翼與滑翔兩者相互有機結(jié)合, 當(dāng)在復(fù)雜的水下環(huán)境時或?qū)λ俣群蜋C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?shù)乃矸ㄍ七M[6]; 當(dāng)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(yuǎn)航程相結(jié)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(xué)(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(shù)不變的前提下, 通過依次改變前端撲翼的安裝位置和翻轉(zhuǎn)角大小, 對UUV運動狀態(tài)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(shè)計目的。

1 流體動力布局設(shè)計準(zhǔn)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(zhuǎn)角大小的影響, 故在撲翼滑翔UUV流體動力布局設(shè)計中主要考慮撲翼的安裝位置和翻轉(zhuǎn)角設(shè)計。

對于安裝位置, 從圖1看出, 海龜?shù)那岸藫湟砜拷旙w的前端; 而在滑翔時, 為提高滑翔效率, 前端撲翼應(yīng)安裝在UUV殼體中部附近位置[7]。綜合考慮2種情況, 初步設(shè)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?shù)暮蠖藫湟砜拷旙w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(zhuǎn)角設(shè)計, 由于在撲翼運動過程中翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角, 主要對其在滑翔運動中的翻轉(zhuǎn)角進行設(shè)計, 故翻轉(zhuǎn)角的設(shè)計主要考慮在滑翔運動下的情形[8]?？傊? UUV撲翼的設(shè)計需要兼顧在水下運動時撲翼產(chǎn)生的升力、阻力兩方面的因素, 即通過流體動力布局設(shè)計來實現(xiàn)大升阻比、低阻力的設(shè)計目標(biāo)。

圖1 海龜示意圖

2 流體動力布局?jǐn)?shù)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(biāo)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(gòu)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(wǎng)格劃分

根據(jù)第1節(jié)中的設(shè)計準(zhǔn)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(zhuǎn)角設(shè)計, 但其安裝位置主要利用仿生學(xué)原理和海龜后端撲翼的位置來進行設(shè)計, 將其對稱安裝于殼體后部的邊緣。

依據(jù)第1節(jié)中的設(shè)計準(zhǔn)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(cè)向和縱向位置。UUV外殼兩側(cè)邊緣的平面作為橫向位置, 側(cè)向位置關(guān)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(yōu)的安裝位置。

國內(nèi)外水下滑翔UUV的試驗結(jié)果表明, 其穩(wěn)定的滑翔攻角一般約為5°[9], 故將其翻轉(zhuǎn)角大小設(shè)計成與5°成倍數(shù)的0′5°, 1′5°和2′5°這3種典型狀態(tài), 也就是將翻轉(zhuǎn)角設(shè)計成與UUV橫截面成0°, 5°和10°這3種典型狀態(tài)并對其進行仿真計算, 通過比較確定最優(yōu)的翻轉(zhuǎn)角。

利用CFD商業(yè)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(dǎo)入計算, 計算導(dǎo)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(wǎng)格劃分時, 整個計算域采用四面體網(wǎng)格, 并且在模型的周圍對該網(wǎng)格進行了不同程度的加密, 這樣既能讓網(wǎng)格的生成方法簡單, 又能滿足計算精度的要求, 計算域網(wǎng)格劃分如圖4所示[10]。

圖3 計算導(dǎo)入模型

圖4 計算域網(wǎng)格劃分圖

2.3 求解條件設(shè)定

由于設(shè)計的撲翼滑翔UUV在正常航速情況下雷諾數(shù)都已超過臨界雷諾數(shù), 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(shè)置如下[10-12]。

1) 求解器: 3D顯式非耦合穩(wěn)態(tài)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(shù)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(shù)的離散采用2階精度的迎風(fēng)格式;

6) 收斂標(biāo)準(zhǔn): 1e-4。

2.4 仿真結(jié)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(fù)攻角范圍內(nèi), 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(jié)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(zhuǎn)角設(shè)計

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

圖8 3種翻轉(zhuǎn)角設(shè)計下升阻比隨攻角的變化曲線

圖9 3種翻轉(zhuǎn)角設(shè)計下阻力隨攻角的變化曲線

圖10 3種翻轉(zhuǎn)角設(shè)計下升力隨攻角的變化曲線

3 結(jié)束語

通過分析撲翼運動和滑翔運動的優(yōu)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(yuǎn)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(zhuǎn)角設(shè)計分別進行了數(shù)值仿真研究。仿真結(jié)果表明, 當(dāng)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(zhuǎn)角大小為10°時, 撲翼滑翔UUV具有較優(yōu)的大升阻比、低阻力的流體動力性能。本文所得到結(jié)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(jì)優(yōu)秀人才支持計劃項目資助(NCET-09-0074)；西北工業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新重點基金項目資助(2008KJ01001).

潘光(1969-), 男, 教授, 博導(dǎo), 主要研究方向為水下航行器總體技術(shù)及操縱性、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)等.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)