扑翼滑翔UUV流体动力布局设计

潘 光, 马启超, 刘冠杉, 曹永辉, 黄桥高



扑翼滑翔UUV流体动力布局设计

潘 光, 马启超, 刘冠杉, 曹永辉, 黄桥高

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

扑翼滑翔无人水下航行器; 流体动力布局; 安装位置; 翻转角; 升阻比

0 引言

目前, 无人水下航行器(unmanned under- water vehicle, UUV)的推进装置大多采用螺旋桨, 但其推进效能的改进已难以取得突破性进展, 而基于升力理论的操纵舵控制方式也不能满足UUV的高精度姿态控制要求。作为新型推进方式的水下仿生扑翼UUV和水下滑翔机(autonomous underwater glider, AUG)越来越受到人们的重视, 水下仿生扑翼UUV依靠扑翼推进机构为其提供动力, 实现整个UUV在水下的各种运动, 具有推进效率高、机动性及操纵性好等优点, 但航程受到限制[1-3]; 而AUG是一种无外挂推进系统, 依靠内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其运动的UUV, 其最大特点是航程远, 但机动性和操纵性较差[4-5]。

扑翼滑翔UUV是将水下仿生扑翼UUV和AUG两者的优点相结合的一种新型UUV, 具有推进效率高、机动性强、操纵性好和航程远等优点。其在水中运动时需要扑翼与滑翔两者相互有机结合, 当在复杂的水下环境时或对速度和机动性要求较高时, UUV采用扑翼方式进行推进, 此时UUV前、后端扑翼做类似海龟的水翼法推进[6]; 当在低速直航时, UUV采用滑翔方式进行推进, 此时UUV前、后端扑翼做滑翔推进, 这样就可达到高机动性与远航程相结合的效果。

由于水下运动时, 除了扑翼滑翔UUV外壳提供升力外, 还需要利用扑翼为其提供动力、升力等作用, 所以研究扑翼在UUV上的布局显得尤为重要。本文采用计算流体力学(computa- tional fluid dynamics, CFD)的方法, 在保持UUV主体外形与前、后端扑翼翼型参数不变的前提下, 通过依次改变前端扑翼的安装位置和翻转角大小, 对UUV运动状态下的流体动力性能进行模拟仿真, 以期达到大升阻比、低阻力的设计目的。

1 流体动力布局设计准则

扑翼滑翔UUV前端扑翼的作用是在扑翼运动时为其提供航行动力, 在滑翔运动时提供升力, 而其后端扑翼的作用是控制UUV的运动方向。因为扑翼运动主要受安装位置的影响, 而滑翔运动同时还受翻转角大小的影响, 故在扑翼滑翔UUV流体动力布局设计中主要考虑扑翼的安装位置和翻转角设计。

对于安装位置, 从图1看出, 海龟的前端扑翼靠近龟体的前端; 而在滑翔时, 为提高滑翔效率, 前端扑翼应安装在UUV壳体中部附近位置[7]。综合考虑2种情况, 初步设计前端扑翼对称安装在UUV壳体中部位置并靠近前端, 以提供航行所需的动力。UUV后端扑翼在实际运动中的作用类似于舵, 参考海龟的后端扑翼靠近龟体的尾端, 故将后端扑翼对称安装于壳体后部的边缘。对于翻转角设计, 由于在扑翼运动过程中翻转角是一直变化的, 故在此不考虑其在扑翼运动过程中的翻转角, 主要对其在滑翔运动中的翻转角进行设计, 故翻转角的设计主要考虑在滑翔运动下的情形[8]。总之, UUV扑翼的设计需要兼顾在水下运动时扑翼产生的升力、阻力两方面的因素, 即通过流体动力布局设计来实现大升阻比、低阻力的设计目标。

图1 海龟示意图

2 流体动力布局数值计算

2.1 几何模型的建立

扑翼滑翔UUV计算的几何模型如图2所示, 图中坐标原点位于UUV纵轴的中心点。该模型由水平面、竖直面均对称的扁平形主体和前、后端扑翼构成, 其主体外形长为800 mm, 宽(不包括翼展)为400 mm, 高为250 mm, 前、后端扑翼均选用NACA 0010翼型, 弦长为100 mm, 根梢比为1, 且前端扑翼的展弦比和后掠角分别为5和35°,后端扑翼的展弦比和后掠角分别为3.5和25°。

图2 扑翼滑翔UUV几何模型

2.2 计算域及网格划分

根据第1节中的设计准则, UUV后端扑翼在水下运动时主要起到类似舵的作用, 故不考虑其翻转角设计, 但其安装位置主要利用仿生学原理和海龟后端扑翼的位置来进行设计, 将其对称安装于壳体后部的边缘。

依据第1节中的设计准则并考虑到水下滑翔UUV翼的安装位置来确定前端扑翼的安装位 置[8], 即确定扑翼的横向、侧向和纵向位置。UUV外壳两侧边缘的平面作为横向位置, 侧向位置关于UUV外壳水平面对称, 取距UUV主体外壳最前端纵向长度为整个UUV纵向长度的25%, 30%, 35%和40%的4个位置进行仿真计算, 通过比较确定最优的安装位置。

国内外水下滑翔UUV的试验结果表明, 其稳定的滑翔攻角一般约为5°[9], 故将其翻转角大小设计成与5°成倍数的0´5°, 1´5°和2´5°这3种典型状态, 也就是将翻转角设计成与UUV横截面成0°, 5°和10°这3种典型状态并对其进行仿真计算, 通过比较确定最优的翻转角。

利用CFD商业软件FLUENT计算时, 为了提高计算效率和计算精度, 考虑到主体外形具有对称性, 采用1/2模型导入计算, 计算导入模型如图3所示, 计算域的长和宽均取模型长度的10倍, 高取模型长度的8倍。同时, 在网格划分时, 整个计算域采用四面体网格, 并且在模型的周围对该网格进行了不同程度的加密, 这样既能让网格的生成方法简单, 又能满足计算精度的要求, 计算域网格划分如图4所示[10]。

图3 计算导入模型

图4 计算域网格划分图

2.3 求解条件设定

由于设计的扑翼滑翔UUV在正常航速情况下雷诺数都已超过临界雷诺数, 故采用湍流模型 进行模拟[11]。本文利用雷诺平均Navier-Stokes方程+湍流模型的方法(采用RNG模型), 计算条件设置如下[10-12]。

1) 求解器: 3D显式非耦合稳态求解器;

2) 湍流方程: 2阶RNG方程;

3) 材料: 水, 密度为998.2 kg/m3, 粘性系数为0.001 003 Pa·S;

4) 边界条件: 入口速度为1 m/s,出口为自由流;

5) 方程离散方法: 压力修正法采用SIMPLE方法(其中减小欠松弛因子为0.5可提高计算精度), 参数的离散采用2阶精度的迎风格式;

6) 收敛标准: 1e-4。

2.4 仿真结果及分析

2.4.1 前端扑翼安装位置

由于计算模型均为对称模型并忽略了水下运动时重力的影响, 所以在正、负攻角范围内, 各模型受到的升、阻力的变化趋势分别一致。因此, 仿真计算时只需计算各模型在1 m/s的速度时0°, 2°和5°这3种不同攻角下的升、阻力及升阻比, 其中参考面积选择为UUV总体外形的1/2表面积, 方案1~4分别表示安装位置为25%, 30%, 35%和40%的4种安装模型, 计算结果如图5~7所示。

图5 4种安装方案下升阻比随攻角的变化曲线

图6 4种安装方案下阻力随攻角的变化曲线

图7 4种安装方案下升力随攻角的变化曲线

2.4.2 前端扑翼翻转角设计

速度为1 m/s时, 各翻转角设计模型分别以0°,±2°和±5°这5种不同攻角下的升、阻力和升阻比进行仿真计算, 其中参考面积选择为UUV总体外形的1/2表面积, 计算结果如图8~10所示。

由图8~10可以看出, 在速度为1 m/s和攻角为-5°~+5°时, 在升阻比方面, 10°翻转角模型的升阻比最大, 5°翻转角模型的升阻比较小, 0°翻转角模型的升阻比最小, 其中5°攻角时, 10°翻转角模型的升阻比分别比5°和0°翻转角模型的升阻比提高了42.98%和80.35%; 在阻、升力方面, 当在攻角一定时, 航行器的阻、升力均随着翻转角的增大而增大, 但在3种翻转角设计下的阻、升力变化曲线稍有差别, 主要是由于随着翻转角的增大, 前端扑翼与水流之间的夹角增大, 也相当于前端扑翼的攻角增大, 根据翼型受力理论可知, 其阻、升力均增大[13]。并且10°翻转角模型的阻、升力均大于另外2种翻转角模型的阻、升力, 其中在5°攻角时, 10°翻转角模型的阻力分别比5°和0°翻转角模型的阻力增加了38.79%和76.19%, 但是在5°攻角时, 10°翻转角模型的升力分别比5°和0°翻转角模型的升力提高了100.45%和217.76%。尽管10°翻转角模型的阻力较大, 但是10°翻转角模型的升阻比和升力均明显大于另外2种翻转角模型的升阻比和升力。依据设计准则并兼顾提供的升力, 最终选取前端扑翼翻转角大小为10°的设计模型。

图8 3种翻转角设计下升阻比随攻角的变化曲线

图9 3种翻转角设计下阻力随攻角的变化曲线

图10 3种翻转角设计下升力随攻角的变化曲线

3 结束语

通过分析扑翼运动和滑翔运动的优缺点, 提出了一种新型扑翼滑翔UUV, 达到了推进效率高、机动性强、操纵性好和航程远等效果。利用CFD方法对UUV前端扑翼的4种安装方案和3种翻转角设计分别进行了数值仿真研究。仿真结果表明, 当前端扑翼选用安装位置取距UUV主体外壳最前端纵向长度为整个纵向长度的30%和翻转角大小为10°时, 扑翼滑翔UUV具有较优的大升阻比、低阻力的流体动力性能。本文所得到结果对进一步研究扑翼滑翔UUV提供了理论参考。

[1] Stephen L, Victor P, Melissa F, et al. Design and Projected Performance of a Flapping Foil AUV[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(3): 786-794．

[2] 梁建宏. 水下航行体仿生机理研究[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

[3] 高永琪, 王德石. 基于仿生技术的鱼雷推进问题探讨[J]. 鱼雷技术, 2005, 13(3): 46-48． Gao Yong-qi, Wang De-shi. Discussion about Torpedo Propu- lsion Based on Bionic Technology[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(3): 46-48．

[4] 程雪梅. 水下滑翔机研究进展及关键技术[J]. 鱼雷技术, 2009, 19(6): 1-6． Cheng Xue-mei. Development and Key Technologies of Aut- onomous Underwater Glider[J]. Torpedo Technology, 2009, 19(6): 1-6．

[5] 张奇峰, 俞建成, 唐元贵, 等. 水下滑翔机器人运动分析与载体设计[J]. 海洋工程, 2006, 24(1): 74-78． Zhang Qi-feng, Yu Jian-cheng, Tang Yuan-gui, et al. Motion Analysis and Body Design of an Underwater Glider[J]. The Ocean Engineering, 2006, 24(1): 74-78．

[6] 张铭钧, 刘晓白, 储定慧, 等. 水翼法推进机理及操纵技术研究[J]. 兵工学报, 2010, 31(3): 316-321． Zhang Ming-jun, Liu Xiao-bai, Chu Ding-hui, et al. Research on Propulsion Principle and Manipulation Technology of the Bionic Turtle Hydrofoil[J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(3): 316-321.

[7] 胡克, 俞建成, 张奇峰. 水下滑翔机器人载体外形设计与优化[J]. 机器人, 2005, 27(2): 108-117. Hu Ke, Yu Jian-cheng, Zhang Qi-feng. Design and Optimi- zation of Underwater Glider Shape[J]. Robot, 2005, 27(2): 108-117.

[8] 刘锟. 混合型水下自主航行器的概念设计与研究[D]. 天津: 天津大学, 2007． Liu Kun. Conceptual Design and Study of Hybrid Autonomo- us Underwater Vehicle[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007.

[9] 阚雷. 浮力驱动式水下滑翔机研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2009. Kan Lei. Study of Buoyancy Driven Underwater Glider[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2009.

[10] 温正, 石良辰, 任毅如. FLUENT流体计算应用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

[11] 武建国, 陈超英, 王树新, 等. 混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性[J]. 天津大学学报, 2010, 43(1): 84- 89． Wu Jian-guo, Chen Chao-ying, Wang Shu-xin, et al. Hydro- dynamic Characteristics of the Wings of Hybrid-Driven Un- derwater Glider in Glide Mode[J]. Journal of Tianjin Uni- versity, 2010, 43(1): 84-89.

[12] Anderson J D. Computational Fluid Dynamics the Basics with Applications[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[13] 《飞机设计手册》总编委会编, 张锡金分册主编. 飞机设计手册（第6册）: 气动设计[M]. 北京: 航空工业出版社, 2002: 174-240, 252-279.

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.

教育部新世纪优秀人才支持计划项目资助(NCET-09-0074)；西北工业大学科技创新重点基金项目资助(2008KJ01001).

潘光(1969-), 男, 教授, 博导, 主要研究方向为水下航行器总体技术及操纵性、多学科设计优化技术等.

(责任编辑: 陈 曦)