一種可變形跨介質航行器氣動/水動特性分析

廖保全, 馮金富, 齊鐸, 李永利, 余宗金

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

一種可變形跨介質航行器氣動/水動特性分析

廖保全, 馮金富, 齊鐸, 李永利, 余宗金

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

摘要:由于海水和空氣物理性質存在巨大差異,航行器很難以單一外形滿足在兩種環境下的航行要求。為此,提出一種通過改變外形來實現水空介質跨越的航行器,并通過計算流體力學對其空中和水中兩種外形的氣動/水動特性進行研究。仿真結果表明,通過改變外形,航行器能夠同時滿足水下航行和空中飛行的要求。水下航行時,航行器在較小的仰角范圍內通過收縮機翼減小阻力;空中飛行時,通過展開機翼增大升力。

關鍵詞:計算流體力學; 氣動特性; 水動特性

0引言

隨著航空航海技術的發展和軍事需求的推動,以隱蔽性好、突防能力強為優勢的跨介質航行器獲得了廣泛關注[1]。跨介質航行器是指能夠多次跨越介質且能持續航行、重復使用的航行器。2008年,美國國防先進技術研究局著手研制一種既能夠在空中飛行,又能夠在水面和水下航行的新概念飛機[2]。與此同時,美國軍方研制中的另一款水下發射無人飛機“鸕鶿”(Cormorant)已取得實質進展。法國波爾多航空技術公司正研制將用于海洋研究、港口和海岸警戒的潛水飛機“埃利烏斯”(Aelius)。

研究和實踐均表明,水面艦艇的防空體系和水下防御系統僅對空和反魚雷來說存在諸多優勢。美國自1944年發展艦空導彈以來,先后發展裝備了7大系列11種艦艇防空武器,出現了標準系列、海麻雀系列、拉姆系列、宙斯盾防空系統等性能優越的防空武器[3]。在反魚雷方面,美國提出的潛艇和水面艦艇的水聲對抗系統(SAWS)、法國的“信天翁”(Albatros)魚雷預警系統、意大利C300和C303魚雷防衛系統等大大降低了魚雷的生存概率和攻擊性。因此,設計一種能夠利用水空介質物理割裂,通過在水空介質間跳躍飛行(航行),實現遠距離隱蔽偵察、打擊的航行器具有重要意義。

本文提出一種通過改變外形實現水空介質跨越的航行器,兼顧空中突防速度快和水中突防隱蔽性好的特點:在水中航行時,采用類似魚雷的外形;在空中飛行時,采用類似反艦巡航導彈的外形。通過試驗獲取航行器動力特性參數,試驗準備周期長、耗費大;而文獻[4-5]采用數值模擬方法,通過Ansys ICEM對所建立的模型進行網格劃分,借助Fluent軟件獲得較準確的動力特性數據。本文通過數值模擬研究所提出的航行器外形的動力學特性,以期對跨介質航行器的外形設計和試驗研究提供參考。

1幾何模型

從現有航空飛行器與水下航行器外形來看,兩者存在巨大差異,造成其差異的根源在于水和空氣兩種流體物理性質的不同。海水的密度是空氣密度的833倍,其動力粘性系數是空氣的60倍。根據雷諾數相似原理,外形不變的航行器在相同速度下,水下航行產生的升力是空中飛行產生升力的14倍。這使得航行器在空中飛行必須保持高速度,而在水中航行必須保持低速和較大的負迎角。較大的速度變化對發動機提出了很高的要求,負迎角產生的誘導阻力和彈翼本身的粘性阻力、壓差阻力使得彈翼不利于水中航行。

本文提出一種通過向上兩次折疊彈翼改變外形的跨介質航行器。航行器長度為6 m,徑向截面外接圓直徑0.534 m,便于從現有魚雷發射管發射。航行器翼展為1.42 m,彈翼收起時折疊于彈身兩側的彈翼槽內,呈類魚雷外形。航行器密度為1 100 kg/m3,質量為910 kg。根據以上參數,建立了航行器的幾何模型,如圖1所示。

圖1　航行器幾何外形Fig.1　Geometric shape of the vehicle

2網格劃分

網格是計算域內的一系列離散點。通過將控制方程離散,使用數值方法得到網格節點上的數據(如速度、溫度、壓力等),即得到數值解[6]。網格可以分為結構化網格和非結構化網格。結構化網格便于調整網格疏密和邊界層處理,網格生成速度快,數據結構簡單。但對于復雜幾何體而言結構化網格生成工作量大,對外形適應性差。本文所提出的航行器空中模型、水中模型均比較復雜,因此采用非結構化網格方法。該方法能夠離散復雜外形區域,可以在計算域精確表示物理邊界,保證了邊界處的初始準確度,提高了解的質量;但非結構化網格生成過程計算機工作量大,對計算機性能要求高。使用曙光A840r-G計算機群能夠滿足非結構化網格對計算性能的要求,能夠順利地生成網格,如圖2所示。

圖2　航行器的網格Fig.2　Mesh generation of the vehicle

為了減少計算域邊界對結果的影響,計算域確定為遠大于幾何模型的55 m×10 m×10 m長方體,航行器頭部距計算域入口20 m。殼網格的網格類型為All Tri,即生成所有網格單元均為三角形。網格生成的計算法則選用Patch Dependent,根據面的輪廓線生成網格,這樣能夠更好地捕捉幾何特征。在生成網格時對航行器頭部、尾部和彈翼等外形變化大的部位的曲線進行加密。殼網格生成后,經檢查網格質量符合要求,再生成體網格。彈翼、尾翼后緣附近流場參數變化劇烈,對氣動、水動特性影響較大。生成體網格時,對彈翼、尾翼后緣附近計算區域進行了加密。最后,通過對生成體網格的檢查、修改,得到質量較好的網格。空中飛行狀態模型的網格數量為600多萬,水中航行狀態模型的網格數量為500多萬。

3數值方法與邊界條件

航行器在流體中航行時,涉及到復雜的湍流問題。一般認為無論多么復雜的湍流運動,都可以通過求解Navier-Stokes方程和連續性方程解決。由于湍流運動的復雜性,人們通過一些數值方法對湍流進行模擬并取得了較好的效果。湍流數值模擬的方法主要有直接數值模擬(DNS)和非直接數值模擬。直接模擬方法計算量大,對計算機性能要求高,難以在工程應用中推廣。在實際應用中,使用最多的數值模擬方法是Reynolds平均法,通過引入湍流模型封閉方程組求解湍流要素的時均值[7]。

3.1通用控制方程

對于流體的控制方程主要有連續性方程、動量方程(又稱Navier-Stokes方程)、能量守恒方程等。可以寫出其通用形式[8]:

(1)

式中:φ為通用變量;Γ為廣義擴散系數;S為廣義源項。

當φ=1,Γ=0,S=0時,方程為連續性方程;當φ=ui,Γ=μ,S=-?p/?xi+Si時,方程為動量方程。

3.2湍流模型

基于SST(Shear Stress Transport)模型的k-ω方程考慮了湍流剪切應力的傳輸,可以很好地處理近壁面處低雷諾數的數值計算,并且綜合了k-ω模型在遠場計算的優點,處理不同界面具有較好的適應性,收斂效果更好。k-ω模型主要求解湍動能k和湍流頻率ω兩個運輸方程:

(2)

(3)

式中:Pk為由層流產生的湍流動能;σk,σω分別為k和ω方程的湍流能量普朗特數。

采用Fluent中的默認值:α=0.52,β′=0.09,β=0.072,σk=2,σω=2。湍流黏度μt與湍流動能和湍流頻率有關,其關系式為:

(4)

3.3邊界條件

計算域為55 m×10 m×10 m的長方體,流體入口距航行器頂端20 m,流體出口距航行器頂端35 m。對空中飛行特性仿真研究時,選擇基于密度的隱式求解器,計算域內介質為空氣。設定與空氣有關的物理參數,部分參數采用默認值。流體入口的邊界類型為Pressure-far-field,假定航行器掠海飛行,距海面高度50～150 m(戰斧導彈巡航馬赫數為0.72,巡航高度為50～150 m),表壓設定為101.33 kPa,馬赫數為0.72。選擇笛卡爾坐標系速度分量定義方式,速度分量隨航行器迎角α的變化而變化。對外流場的計算選擇intensity and length scale湍流組合,湍流強度定義為速度脈動的均方根與平均速度的比值:

(5)

湍流尺度通常用下式估算:

(6)

航行器壁面為無滑移壁面,采用亞松弛因子默認值計算初場。為了加速收斂,在計算過程中作了適當放大,同時采用二階迎風格式,能得到更加精確的結果。

對水中航行特性進行研究時,選擇基于壓力的隱式求解器,計算域介質為海水。流體入口邊界類型為Velocity-inlet。假定航行器航行深度為5 m,表壓設定為151.54 kPa。選擇笛卡爾坐標系速度分量定義方式,合速度大小為20 m/s,速度分量隨航行器迎角α的變化而變化。

4仿真驗證及結果分析

在進行航行器流體仿真之前,通過對MK46魚雷的流體仿真研究了本文方法對水中航行器仿真的準確性,得到其在迎角為0°、速度為20 m/s狀態下,阻力系數為0.097 2,與潘光等[9]的仿真結果相近,與試驗值[10]的誤差在可接受范圍。通過對M6翼型流體仿真研究了本文方法對空中航行器仿真的準確性,所得壓力系數的分布情況與試驗結果吻合較好。

本文仿真了航行器水中模型在航行速度分別為16 m/s,20 m/s和24 m/s,迎角由-45°變化到45°共93種工況的流場;仿真了航行器空中模型分別在Ma=0.62,0.72,0.82飛行速度下,迎角變化范圍為-45°～45°共93種工況。

圖3展示了Ma=0.72的空中飛行速度在0°迎角時的升力系數及阻力系數的收斂情況,在進行到600步時,系數趨于穩定。

圖3　升力系數和阻力系數收斂情況Fig.3　Convergent graphs of CL and CD

圖4為航行器在Ma=0.72和0°迎角下飛行時的表面壓力云圖。可以看出,航行器頭部、彈翼、尾翼前緣、彈翼槽突出處受到的壓強最大,頭部與彈身、彈身與尾部過渡區域形成低壓區。在水中航行時,空泡常常產生于頭部與彈身過渡的低壓區。

圖4　航行器空中飛行壓力云圖Fig.4　Pressure contour of flight state in the air

由于航行器外形發生變化,在計算水中外形動力系數時所用參考面積為水中模型最大截面積0.18 m2,空中所用參考面積為航行器彈翼面積3.97 m2。航行器在空中和水中的阻力、升力和俯仰力矩隨迎角的變化曲線如圖5～圖7所示。圖中曲線為通過三階最小二乘法對仿真試驗數據點進行擬合的結果。

圖5　阻力隨迎角的變化曲線Fig.5　Curves of the drag changing with the AOA

由圖5可以看出,隨著迎角從-45°變化到45°,阻力基本上以0°線呈對稱分布,且0°線右邊部分變化趨勢略快于左邊部分,這是由于航行器外形上下不完全對稱造成的。迎角從0°變化到45°,阻力隨迎角增大而變大,這是由于航行器在迎角變大的過程中,在速度方向上的投影面積增大,使航行器所受壓差阻力迅速變大。在-10°～10°迎角之內,阻力變化比較平緩,當迎角超過10°之后阻力迅速增大。航行器在空中飛行的阻力變化較在水中航行阻力變化平緩,通過收縮彈翼較大程度地減小了阻力。

圖6　升力隨迎角的變化曲線Fig.6　Curves of the lift changing with the AOA

由圖6可以看出,升力在迎角從-45°變化到45°過程中都是增大的;水中的變化明顯快于空中的變化過程,但這相對于沒有外形變化的航行器已經有較大改善。可以預見,如果進一步降低水中速度,水中升力曲線則能夠匹配上空中升力曲線。在-2°～2°的迎角內,水中航行升力曲線與0°線相交于原點附近,而空中飛行升力曲線與0°線相交于原點上方,這是由于增加了非對稱機翼使迎角為0°時產生了正升力。航行器在迎角4°以上能夠實現空中水平飛行,水中水平航行迎角在2°附近,航行器在空中、水中均有較大的富裕升力做機動。

圖7　俯仰力矩隨迎角的變化曲線Fig.7　Curves of the pitching moment changing with the AOA

由圖7可以看出,俯仰力矩在迎角從-45°變化到45°過程中不斷增大;俯仰力矩對迎角的導數大于0,航行器是靜不穩定的;空中變化過程平緩,相對于水中航行更加穩定。

5結束語

本文設計了一種可改變外形的水空跨介質航行器,并通過Fluent對所建模型進行仿真,得到了航行器在各個工況下的阻力、升力、俯仰力矩數值。分析

發現:通過改變外形,航行器兼顧了魚雷和巡航導彈的飛行性能,在較小的迎角范圍內阻力較小,升力能夠實現水平飛行/航行,且有較大的富裕升力;相對于沒有外形改變的航行器,其水空航行性能有較大改善。在接下來的工作中,將重點研究航行器跨越水面過程流體動力特性和彈翼展開時對航行器空中彈道的影響,為跨介質航行器的設計和試驗提供參考。

參考文獻：

[1]齊鐸,馮金富,李永利.具有水空介質跨越能力的反艦武器[J].飛航導彈,2014(11):78-80.

[2]張佳強.潛-飛兩棲導彈動力學特性研究[D].西安:空軍工程大學,2012.

[3]賀泳.美國海軍水面艦艇導彈防空體系分析[J].現代防御技術,2006,34(4):20-23.

[4]趙洪章,岳春國,李進賢.基于Fluent的導彈氣動特性計算 [J].彈箭與制導學報,2009,27(2):203-205.

[5]朱信堯,宋保維,單志雄,等.海底定點停駐無人水下航行器流體動力特性分析 [J].上海交通大學學報,2012,46(4):573-578.

[6]紀兵兵,陳金瓶.ANSYSAICEMCFD網格劃分技術實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2012:2-13.

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

[8]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:7-13.

[9]潘光,施瑤,杜曉旭,等.駐留航行器沉底穩定性的數值分析[J].上海交通大學學報,2012,46(9):1493-1497.

[10]嚴衛生.魚雷航行力學[M].西安:西北工業大學出版社,2005:238-240.

(編輯：李怡)

Aerodynamic and hydrodynamic characteristics analysis o morphing submersible aerial vehicle

LIAO Bao-quan, FENG Jin-fu, QI Duo, LI Yong-li, YU Zong-jin

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

Abstract:Due to the tremendous difference between water and air in physical properties,it’s hard for a vehicle with fixed shape to meet the requirements of moving underwater and flying in the air. A new vehicle, which has the ability of crossing the water surface for several times through changing its shape, was proposed. The vehicle’s aerodynamics and hydrodynamics were studied with CFD. The simulation results show that, this new vehicle can meet the requirements of moving underwater and flying in the air through changing its shape. The vehicle retracts its wings to make the drag smaller in a small angle of attack under water and unfolds the wings to make the lift support flying in air.

Key words:CFD; aerodynamic characteristics; hydrodynamic characteristics

收稿日期:2015-08-24;

修訂日期:2015-11-25; 網絡出版時間:2016-02-29 16:37

基金項目:國家自然科學基金資助(51541905)

作者簡介:廖保全(1991-)，男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為航空軍械總體與控制技術； 馮金富(1964-)，男，江蘇泰興人，教授，博士生導師，研究方向為兵器科學與技術。

中圖分類號：TJ762.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)03-0044-04