翼身融合水下滑翔機外形設(shè)計與水動力特性分析

孫春亞，宋保維，王 鵬

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

翼身融合水下滑翔機外形設(shè)計與水動力特性分析

孫春亞，宋保維，王 鵬

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

為了提高水下滑翔機的水動力性能，本文將航空航天領(lǐng)域先進的翼身融合布局引入到水下滑翔機外形設(shè)計中，并對其水動力性能進行研究與分析。首先，對比 3 種具有代表性的水下滑翔機常用殼體形狀的幾何參數(shù)，選用扁平橢球體作為翼身融合水下滑翔機殼體的基本形狀；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出翼身融合水下滑翔機的三維模型；最后，采用計算流體力學(xué)（CFD）的方法對翼身融合水下滑翔機進行仿真模擬并分析其水動力性能，結(jié)果表明，采用翼身融合布局的水下滑翔機，其水動力性能得到顯著提高。

水下滑翔機；翼身融合；計算流體力學(xué)；結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；水動力特性

0 引 言

水下滑翔機是一種利用凈浮力和姿態(tài)角調(diào)節(jié)獲得推進力的新型水下航行器。相比于傳統(tǒng)水下航行器，水下滑翔機具有成本低、航程遠、持續(xù)工作能力強等優(yōu)點。自 1989 年 Henry Stommel 首先提出“水下滑翔機”的概念以來[1]，各式各樣的水下滑翔機被研制出來并廣泛應(yīng)用于海洋探索之中。

傳統(tǒng)水下滑翔機外形是由回轉(zhuǎn)體殼體、水翼和操縱面組成。然而，回轉(zhuǎn)體殼體外形不能像水翼一樣提供非常高的升力，所以傳統(tǒng)對回轉(zhuǎn)體型的水下滑翔機即使在搭載了高展弦比水翼的情況下，其最大升阻比只能達到 5 左右[2]，這嚴重影響了水下滑翔機的經(jīng)濟性。為了獲得更高的水動力性能，2006 年，美國海軍研究辦公室研制出了飛翼（Flying Wing）構(gòu)形的水下滑翔機 Xray[3]。飛翼構(gòu)形是一種通過去除滑翔機的主體提高升阻比的外形布局。雖然這種構(gòu)形顯著地提高了滑翔機的最大升阻比，然而因為沒有明顯的主體，所以飛翼滑翔機的內(nèi)部空間受到嚴重限制，無法安裝更多的儀器和能源。

翼身融合（Blended-Wing-Body，簡稱 BWB）布局的概念最早誕生于航空工業(yè)[4]，使用翼身融合設(shè)計的飛機，有扁平且有翼剖面形狀的機身，能產(chǎn)生一部分的升力。它的機翼與其他部位，則是平滑的與機身接合。這種構(gòu)形即具有較高的升阻比，又有足夠的內(nèi)部空間，彌補了飛翼構(gòu)形的缺點。

本文將翼身融合的概念應(yīng)用到水下滑翔機的外形設(shè)計當中，設(shè)計一種小型翼身融合式水下滑翔機（50～70 kg），并用傳統(tǒng)水下滑翔機 Seaglider、扁平橢球殼體的水下滑翔機和翼身融合式水下滑翔機進行流體動力仿真，對結(jié)果進行分析對比。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)水下滑翔機，翼身融合水下滑翔機的水動力性能得到巨大提升。

1 外形設(shè)計

1.1 殼體形狀的選取

傳統(tǒng)水下滑翔機一般采用回轉(zhuǎn)體殼體，最常見的回轉(zhuǎn)體殼體外形是帶平行中段的水滴形（見圖1），如 Slocum滑翔機[5]和 Spray 滑翔機[6]，其優(yōu)點是可獲得較大的艇體容積。為了降低水下滑翔機的阻力從而提高升阻比，Huggins 和 Packwood 提出[7]另一種殼體外形：低阻層流形殼體（見圖2），其優(yōu)點在于通過形成合理的壓力梯度，使得總長中大部分是層流段，從而阻力非常低，如 Seaglider 滑翔機[8]。然而，無論回轉(zhuǎn)體殼體外形如何改進，都不能像水翼一樣提供非常高的升力，所以傳統(tǒng)對回轉(zhuǎn)體型的水下滑翔機即使在搭載了高展弦比水翼的情況下，其最大升阻比只能達到 5 左右。2005 年，Graver J G[9]設(shè)計了一種以扁平橢球體（見圖3）為殼體的水下滑翔機。文獻[9]在內(nèi)部容積相等的前提下，對回轉(zhuǎn)體殼體和扁平橢球體殼體的水下滑翔機的水動力性能進行了初步對比研究，研究發(fā)現(xiàn)扁平橢球體殼體的水下滑翔機的升阻比要大于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體殼體的水下滑翔機。

傳統(tǒng)水下滑翔器的總體質(zhì)量大約為 50～70 kg 左右。本文設(shè)計的翼身融合水下滑翔機總質(zhì)量設(shè)定在 60 kg左右。上述 3 種殼體的基本尺寸見表1。

從表1 可看出，在相同體積下，殼體 3 的浸濕表面積要小于殼體 1 和殼體 2 的浸濕表面積，這意味著殼體 3 相比于殼體 1 和殼體 2 具有較小的粘性阻力；殼體 3 在 XOZ 平面的投影面積要大于殼體 1 和殼體 2在 XOZ 平面的投影面積，這意味著殼體 3 相比于殼體1 和殼體 2 可以產(chǎn)生較大的升力。因此，為使設(shè)計出的翼身融合水下滑翔機具有較高的升阻比，本文采用扁平橢球體作為殼體的基本形狀。

圖1 殼體Fig. 1 Body type 1

圖2 殼體Fig. 2 Body type 2

圖3 殼體Fig. 3 Body type 3

表1 三種殼體的幾何參數(shù)Tab. 1 Geometric parameters of three bodies

1.2 機翼與機身融合方式

翼身融合布局的概念是指機身和機翼平滑的過渡融合，使滑翔機具有更好的流體動力性能。然而，扁平橢球體形的殼體很難與截面為 NACA00 系列翼型的機翼平滑地融合。而且，扁平橢球體殼體的弦向截面都是橢圓形，其流體動力性能不如 NACA00 系列翼型。因此，如圖4 所示，本文并沒有將扁平橢球體殼體與滑翔機機翼直接融合，而是先將扁平橢球體殼體與滑翔機機翼在 ZOX 平面的投影形狀用 3 次貝塞爾曲線平滑地過渡融合，再將滑翔機的每個弦向截面都定義為 NACA00 系列翼型，且使翼型截面的厚度沿 Z 軸方向平滑過渡。本文設(shè)計的翼身融合水下滑翔機的三維模型如圖5 所示。

圖4 翼身融合設(shè)計示意圖Fig. 4 Diagrammatic sketch of the BWB design

圖5 翼身融合水下滑翔機三維模型Fig. 5 The 3Dmodel of the BWB underwater glider

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

本文流體動力數(shù)值分析中所用的控制方程是不可壓縮粘性流的 Navier-Stokes 方程，其主要包括連續(xù)性方程和動量方程[10]，即

2.2 湍流模型

本文采用的湍流模型為剪切應(yīng)力輸運 k-ω 模型（簡稱 SST k-ω 模型），該模型綜合了 k-ω 模型在近壁面計算的優(yōu)點和 k-ε 模型在遠場計算的優(yōu)點，其適用范圍更廣。

湍流強度 k 方程和頻率 ω 方程[11]如下：

式中：Pk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，σk=2.0 和 σω=2.0 分別為 k 方程和 ω 方程的湍流能量普朗克數(shù)；a=5/9 為 ω 梯度產(chǎn)生的湍動能系數(shù)；bk=0.09和 bω=0.075 分別為 k 和 ω 擴散產(chǎn)生的湍動能系數(shù)；為渦黏度。

2.3 計算域和網(wǎng)格劃分

由于本研究只計算滑翔機在不同攻角下的流體動力且滑翔機左右對稱，所以可以取其一半劃分網(wǎng)格進行計算。如圖6 所示，計算區(qū)域為長 25×ctm，寬 15×ctm，高 20×ctm（ct為滑翔機的中心弦長）的長方形區(qū)域。速度入口設(shè)在距滑翔機的前端 10×ctm處；壓力出口設(shè)在在距滑翔機的尾端 15×ctm處。

圖6 計算域Fig. 6 Computational domain

計算域的邊界條件設(shè)定如下：

1）入口設(shè)為 inletvelocity 邊界類型，選擇笛卡爾坐標系速度分量定義方式，具體速度分量隨攻角 α 的變化而變化，但其合速度大小為 0.35m/s；

2）出口設(shè)為 pressure outlet 邊界類型；

3）對稱面設(shè)為 symmetry 邊界類型；

4）滑翔機壁面設(shè)為無滑移壁面；

5）壁面設(shè)為自由滑移邊界。

網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量在 200 萬到 250 萬之間。圖7 展示了對稱面的網(wǎng)格劃分情況。如圖8 所示，水下滑翔機殼體壁面處采用 O 網(wǎng)格進行加密，壁面第 1 層網(wǎng)格的 y + 值小于 5。

3 結(jié)果與分析

為能更好地分析翼身融合水下滑翔機的水動力性能，本文對 3 種具有代表性的水下滑翔機模型進行了數(shù)值模擬。模型 1（見圖9）為根據(jù)低阻層流回轉(zhuǎn)體形水下滑翔機 Seaglider 的外形設(shè)計參數(shù)[12]生成的三維模型；模型 2（見圖10）為扁平橢球體水下滑翔機；模型 3（見圖11）為在模型 2 的基礎(chǔ)上進行翼身融合設(shè)計的水下滑翔機三維模型。

圖7 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格整體視圖Fig. 7 Grid structure in the computational domain

圖8 機身表面的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig. 8 Detail of the boundary layers near the glider body

圖9 模型 1：Seaglider 滑翔機Fig. 9 Model 1: Seaglider underwater glider

三種模型的主要幾何參數(shù)見表2。由表2 可知，模型 1，模型 2 與模型 3 的排水量都在 50～70 L 之間，都屬于小型水下滑翔機。其中，模型 2 采用扁平橢球體作為滑翔機的主體，所以在 3 種模型中具有最大的排水量和最小的浸濕表面積；模型 3 是在模型 2 的基本形狀上進行翼身融合設(shè)計而得，其排水量略小于模型 2 且浸濕表面積略大于模型 2；模型 1 作為傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體水下滑翔機 Seaglider 的三維模型，其排水量最小且浸濕表面積最大。

在航速 0.35m/s，攻角 0°～20° 的工況下，對 3 種模型進行 CFD 數(shù)值計算，將 3 種模型的阻力、升力和升阻比匯總并繪制成隨攻角 α 的變化曲線圖（見圖12～圖14）。

圖10 模型 2：扁平橢球體水下滑翔機Fig. 10 Model 2: underwater glider withaflat ellipsoid body

圖11 模型 3：翼身融合式水下滑翔機Fig. 11 Model 3: BWB underwater glider

表2 模型具體參數(shù)對照表Tab. 2 Parameters of specificmodels

圖12 阻力隨 α 的變化曲線Fig. 12 Curves of drag changing with α

由圖12 可知，在 0° 攻角下，模型 1 的阻力最小，模型 3 的阻力略大于模型 1，而模型 2 的阻力明顯大于模型 1 和模型 3。3 種模型的阻力都與攻角呈二次函數(shù)關(guān)系，其中，模型 1 隨攻角的增大而增長的較慢，模型 3 隨攻角的增大而增長的較快。由此可看出，模型 1 的低阻層流型外殼具有非常好的減阻特性；由于模型 3 相較于模型 2 進行了翼身融合設(shè)計，其 0° 攻角下的阻力要小于模型 2，但阻力隨攻角的增長速度快于模型 2。

由圖13 可知，3 種模型均隨攻角的增大而增大，在小攻角（0°～10°）下，升力與攻角程線性關(guān)系，當攻角大于 10° 時，升力隨攻角的增長速度逐漸變慢。模型 3 和模型 2 由于采用扁平體殼體，其 ZOX 平面上的投影面積遠大于模型 1，因此，相同攻角下，模型 3和模型 2 的升力遠大于模型 1 的升力；模型 3 相較于模型 2 進行了翼身融合設(shè)計，ZOX 平面上的投影面積進一步增大，因此，相同攻角下，模型 3 的升力大于模型 2 的升力。

由圖14 可知，3 種模型的升阻比隨攻角的增大先增大后減小，且都在 8° 攻角附近達到最大升阻比，即3 種模型都在 8° 攻角附近具有最大滑翔經(jīng)濟性。由于模型 3 既有較好的阻力特性又有良好的升力特性，所以模型 3 的升阻比遠大于模型 1 與模型 2。

圖15 和圖16 分別為模型 2 與模型 3 的上、下表面的壓力分布云圖。從圖中可看出，進行翼身融合設(shè)計的模型 3 的壓力梯度分布比較均勻，而未進行翼身融合設(shè)計的模型 2 在機翼與殼體連接出壓力集中卻分布不均勻，這是導(dǎo)致模型 3 的阻力小于模型 2 的主要原因之一。

圖13 升力隨 α 的變化曲線Fig. 13 Curves of lift changing with α

圖14 升阻比隨 α 的變化曲線Fig. 14 Curves of lift to drag ratio changing with α

圖15 模型 2 和模型 3 下表面壓力云圖Fig. 15 Pressure distributions of the lower surface

圖16 模型 2 和模型 3 上表面壓力云圖Fig. 16 Pressure distributions of the upper surface

在水下滑翔機外形設(shè)計中，升阻比是衡量水下滑翔機水動力性能最重要的指標之一，除了盡量獲得盡可能高的升阻比之外，盡量降低水動力對滑翔機 OZ軸的俯仰力矩，可以增加水下滑翔機的航行穩(wěn)定性。為了綜合描述水下滑翔機的水動力性能，本文引用文獻[13]中提出的水動力性能加權(quán)公式：

由表3 可知，模型 3 的加權(quán)值最高，即具有翼身融合外形的模型 3 的水動力性能要遠遠好于模型 1 和模型 2。以上數(shù)據(jù)表明，翼身融合水下滑翔機在航行過程中具有更高的工作效率。

表3 水動力性能對照表Tab. 3 The hydraulic performance comparison of specificmodels

4 結(jié) 語

本文將航空航天領(lǐng)域先進的翼身融合布局引入水下滑翔機的外形設(shè)計當中，對翼身融合水下滑翔機進行了初步的外形設(shè)計與水動力性能分析。結(jié)果表明，翼身融合布局極大地改善了水下滑翔機的水動力性能。本文的研究成果主要有：

1）扁平橢球體殼體相比與傳統(tǒng)的細長回轉(zhuǎn)體殼體具有較大的容積和較小的浸濕表面積，其更適合作為翼身融合水下滑翔機機身的基本形狀；

2）扁平橢球體型的水下滑翔機的水動力性能高于傳統(tǒng)水下滑翔機；

3）扁平橢球體型的水下滑翔機在進行翼身融合設(shè)計之后，其壓力分布得到極大改善，水動力性能進一步提高。翼身融合水下滑翔機的阻力、升力和升阻比隨攻角的變化趨勢與傳統(tǒng)滑翔機基本一致，并且翼身融合水下滑翔機的水動力性能遠遠高于傳統(tǒng)水下滑翔機。

[1]STOMMEL H. The Slocummission[J]. Oceanography, 1989, 2(1): 22-25.

[2]李志偉, 崔維成. 水下滑翔機水動力外形研究綜述[J]. 船舶力學(xué), 2012, 16(7): 829-837.

[3]ONR. Liberdade XRay advanced underwater glider[EB/OL]. http://www.onr.navy.mil/media/extra/fact_sheets/advanced_un derwater_glider.pdf.

[4]朱自強, 王曉璐, 吳宗成, 等. 民機的一種新型布局形式-翼身融合體飛機[J]. 航空學(xué)報, 2008, 29(1): 49-59.

[5]WEBB D C, SIMONETTI P J, JONES C P. SLOCUM: an underwater glider propelled by environmental energy[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 447-452.

[6]SHERMAN J, DAVIS R E, OWENS W B, et al. The autonomous underwater glider "Spray"[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 437-446.

[7]HUGGINS A, PACKWOODaR. Wind tunnel experiments onafully appended laminar flow submersible for oceanographic survey[J]. Ocean Engineering, 1995, 22(2): 207-221.

[8]ERIKSEN C C, OSSE T J, LIGHT R D, et al. Seaglider:along-range autonomous underwater vehicle for oceanographic research[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 424-436.

[9]GRAVER J G. Underwater gliders: dynamics, control and design[D]. Princeton: Princeton University, 2005.

[10]景思睿, 張鳴遠. 流體力學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001: 91-96.

[11]胡志強, 林揚, 谷海濤. 水下機器人粘性類水動力數(shù)值計算方法研究[J]. 機器人, 2007, 29(2): 145-150.

[12]RUDNICK D L, DAVIS R E, ERIKSEN C C, et al. Underwater gliders for ocean research[J].marine Technology Society Journal, 2004, 38(2): 73-84.

[13]谷海濤, 林揚, 胡志強, 等. 基于代理模型的水下滑翔機機翼設(shè)計優(yōu)化方法[J]. 機械工程學(xué)報, 2009, 45(12): 7-14.

Shape design and hydrodynamic characteristics analysis of the blended-wing-body underwater glider

SUN Chun-ya, SONG Bao-wei, WANG Peng
(School ofmarine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

In order to improve the hydrodynamic performance of underwater glider, research was done on the shape design and hydrodynamic characteristics analysisof the Blended-Wing-Body (BWB) underwater glider.Firstly, the flat ellipsoid shell, as the basic shape of the fuselage of the BWB underwater glider, was selected by comparing the geometrical parameters of the common shell shape of the three conventional underwater glider. Then, based on the flat ellipsoid body, the shape of BWB underwater glider was design. Finally, simulation has been done through computing fluid dynamics (CFD) for five typical designtypes, and the results show that the hydrodynamic performance of the underwater glider with the blendedwing-body configuration is significantly improved.

underwater glider；Blended-Wing-Body；computing fluid dynamics；structured grid；hydrodynamic characteristics

TP242

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0078 - 06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.015

2016 - 03 - 22；

2016 - 05 - 18

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375389)

孫春亞(1988 - )，男，博士研究生，研究方向為水下滑翔機設(shè)計。